WO2011135775A1 - イオン注入状況の確認方法および半導体ウェーハの製造方法 - Google Patents

イオン注入状況の確認方法および半導体ウェーハの製造方法 Download PDF

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    • H01J2237/31703—Dosimetry

Definitions

  • This ion implantation process is a method in which a desired element is ionized and added to a semiconductor wafer.
  • n-type impurities such as arsenic, phosphorus, and antimony, which are dopant-type impurities, or p-type impurities such as boron are implanted from the surface of a semiconductor wafer by using an apparatus called an ion implanter, and n A p-type semiconductor region is formed.
  • an ion implanter an apparatus called an ion implanter
  • a photoresist as a mask, to accurately control the amount of additive and the implantation depth, and to suppress the spread of impurities in the lateral direction, compared to the impurity addition by the diffusion method. Therefore, it is widely used as a dopant type impurity addition method.
  • the basic principle of the ion implanter used for this ion implantation is that a source gas containing a desired implantation species is ionized by arc discharge or microwave discharge and accelerated using an electric field.
  • the accelerated ions are bent using a magnetic field in the mass analyzer, so that the ions are separated into an implanted species and an unnecessary charged species. Only the implanted species extracted in this way are implanted from the surface of the semiconductor wafer.
  • the implantation depth of the implantation type is controlled by the acceleration voltage, and the implantation amount is controlled by precise control of the beam current.
  • ion implanters There are two types of ion implanters: a batch type (FIG. 1) in which a plurality of ions are implanted simultaneously and a single wafer type in which a single wafer is implanted.
  • the batch type ion implanter 10 takes out the ions generated by the ion source 16 by applying an electric field, and accelerates them by the pre-acceleration mechanism 17a. Thereafter, mass analysis using a magnetic field is performed using the mass analyzer 15, and only ions having a predetermined mass are taken out. Thereafter, an electric field is further applied by the post-acceleration mechanism 17b, and second further acceleration (post-acceleration) is performed. Do.
  • the ion beam 18 accelerated in this way is injected into the surface of the semiconductor wafer W in the chamber 14.
  • the semiconductor wafer W is placed on a wafer support portion that arranges and arranges the semiconductor wafers W on a circumference of a certain radius called a wheel 11. Then, the wheel 11 rotates at a high speed of, for example, a rotation speed of 800 to 900 rpm and a peripheral speed of about 50 m / sec around the wheel center 11a, so that ions are uniformly implanted into the wafer surface in the circumferential direction of the wheel 11. It is something that can be done.
  • the radial direction of the wheel (1) the beam is fixed and the wheel is moved in the radial direction of the wheel, and (2) the beam itself is scanned in the radial direction of the wheel and the wheel is moved in the radial direction. There are two patterns, one that does not move. In either case, the scanning speed in this direction is as low as about 1 to 10 cm / sec.
  • the single-wafer ion implanter can also implant the entire wafer surface by moving the wafer support in the radial direction or scanning the beam itself in the radial direction.
  • the implantation when it is required to uniformly implant the implantation seed over the entire surface of the semiconductor wafer, the implantation may not be uniformly performed due to the state of the ion beam or a malfunction of the implanter.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228707 describes that when the ion implantation concentration varies in the surface during hydrogen ion implantation, the cleavage may not be flat reflecting the variation.
  • the implanted element is a dopant type impurity element such as boron, arsenic, phosphorus, or antimony, it is activated by heat treatment after implantation into the wafer, and the sheet resistance is measured. By doing so, the uniformity within the wafer surface can be evaluated.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and it is possible to quickly and easily find non-uniformity of ion implantation due to problems on the apparatus at the time of ion implantation, to stabilize product quality, and to have a failure period. It is an object of the present invention to provide a method for confirming the state of ion implantation and a method for manufacturing a semiconductor wafer using the same.
  • the present invention provides a method for confirming the ion implantation status when ions are implanted into the entire surface of one surface of a semiconductor wafer having an insulating film on the surface, from the start to the end of ion implantation.
  • the ion implantation into the semiconductor wafer is performed on the entire surface.
  • the present invention provides a method for confirming the state of ion implantation, characterized by confirming whether or not there is any.
  • the beam irradiation area on the surface of the semiconductor wafer emits light for a certain period of time.
  • the area where the ion beam is irradiated onto the semiconductor wafer during ion implantation can be regarded as the light emission area. From the movement of this light emitting part, the ion implantation is performed on the entire surface of the semiconductor wafer as intended. It can be confirmed whether or not it is being performed.
  • the ion implantation apparatus that is not performed as intended, that is, during ion implantation. Therefore, according to the present invention, even if the implanted ions are not of the dopant type, the irradiation state of the ion beam at the time of ion implantation can be easily confirmed, and the cause when there is a problem can be found in a short time. And the time required to solve the problem can be shortened. Therefore, the quality of the semiconductor wafer can be stabilized and the productivity can be prevented from decreasing.
  • the ion may be at least one of hydrogen, deuterium, and helium.
  • the light elements as described above are often used as implanted ions in the production of SOI wafers by the smart cut method, for example.
  • ions are required to be uniformly implanted over the entire surface of the semiconductor wafer serving as a bond wafer from the viewpoint of ensuring the flatness of the SOI layer after peeling.
  • the ion implantation status confirmation method of the present invention whether or not ion implantation is performed over the entire surface of the semiconductor wafer, even with the non-dopant ion species as described above, is easy and reliable. Can be confirmed.
  • an ion implanter that performs the ion implantation is a batch ion implanter, and direct observation of the light emission is performed by irradiating the ion beam from a viewing window provided in a chamber of the batch ion implanter. It is preferable to observe the surface of the semiconductor wafer. In this way, in ion implantation using a batch-type ion implanter, the light emission (irradiation state of the ion beam) is directly observed from the viewing window provided in the chamber of the ion implanter, so that the ion implantation is performed on the entire surface of the semiconductor wafer. Therefore, it is possible to surely check whether or not the ion implantation is performed as intended, and therefore, it is possible to more immediately take measures against the presence / absence of a defect in the ion implantation process and when there is a defect.
  • the surface of the semiconductor wafer observed from the viewing window is shifted from the irradiation position of the ion beam by 90 to 270 degrees with respect to the wheel center on which the semiconductor wafer is placed. Due to the configuration of the apparatus, it may be difficult to directly observe the region where ions are implanted from the viewing window. However, by observing the surface of the semiconductor wafer from the observation window in this manner by shifting it by 90 to 270 degrees from the center of the wheel on which the semiconductor wafer is placed from the ion beam irradiation position, the operation state of the wheel is completely achieved.
  • a camera is installed in a chamber in which the ion implantation is performed, and the surface of the semiconductor wafer irradiated with the ion beam is observed by the camera. preferable. In this way, by installing and observing the camera, the possibility of occurrence of confirmation omission is reduced as much as possible, and the ion implantation state can be confirmed more reliably.
  • the indirect observation of the light emission can be performed by installing an illuminometer in the chamber in which the ion implantation is performed, and the light emission is performed through a viewing window provided in the chamber in which the ion implantation is performed. It can also be performed by installing an illuminometer at a position where it can be observed. In this way, the light emission state of the semiconductor wafer during ion implantation can also be indirectly observed by the illuminometer through the illuminometer installed in the chamber or through the viewing window provided in the chamber. It can be confirmed whether it is irradiated.
  • a method for manufacturing a semiconductor wafer that performs at least an ion implantation step.
  • the semiconductor wafer to be ion-implanted is observed by the method for confirming an ion implantation state according to the present invention.
  • a method for manufacturing a semiconductor wafer is provided, in which ions are implanted.
  • the ion implantation status confirmation method of the present invention it is possible to easily and reliably confirm whether or not ion irradiation is performed on the entire surface of one surface of the semiconductor wafer. Therefore, when manufacturing a semiconductor wafer in which an ion implantation process is performed, by confirming whether ion irradiation is performed over the entire surface of the semiconductor wafer by the ion implantation status confirmation method of the present invention, The occurrence rate of defects caused by the ion implantation process can be reduced as compared with the conventional case, and the manufacturing yield can be improved.
  • non-uniformity of ion implantation due to malfunctions in the apparatus at the time of ion implantation can be detected early and easily, product quality can be stabilized, and the failure period can be shortened.
  • a method for confirming the state of ion implantation and a method for manufacturing a semiconductor wafer using the same are provided.
  • an insulating film is formed on the surface of a semiconductor wafer into which ions are implanted.
  • the insulating film to be formed is, for example, an oxide film, and the formation method is not particularly limited, and a general method may be used.
  • a silicon oxide film is formed as an insulating film on the surface of the silicon single crystal wafer, and a hydrogen beam is implanted as an ion beam to be implanted therein.
  • a window viewing window
  • an observation window viewing window for confirming the state inside the apparatus can be installed at a position away from the beam line.
  • the wheel 11 is rotating at a high speed and that the wheel 11 is operating from side to side by using the viewing window 13 provided so that the position rotated 180 degrees with respect to 11a can be confirmed.
  • the state in which the ion beam strikes the wafer surface from the viewing window 13 is a single band that shines blue in the rotation direction of the wheel 11. It can be observed as 12a.
  • This light emission phenomenon is considered to occur because hydrogen ions excite the silicon oxide film when passing through the silicon oxide film.
  • FIGS. 3 (a) to 3 (e) by operating the wheel 11 or the ion beam to the left and right, it is possible to observe the movement of the band to the left and right.
  • the band that shines in blue moves smoothly left and right (FIG. 3 (a) ⁇ (b) ⁇ (c) ⁇ (d) ⁇ (e) ⁇ (D) ⁇ (c) ⁇ (b) ⁇ (a) ⁇ (b) ⁇ ...
  • the beam since the beam always passes with respect to the scanning direction of the wafer, when the operation of the wheel is reversed, the band that shines in blue completely disappears (see FIGS. 3A and 3E).
  • an abnormality such as that the scanning of the ion beam suddenly becomes faster or stops momentarily occurs, and the abnormality becomes an abnormality of the light emission band 12a. Appear. Thereby, an abnormal phenomenon of ion implantation can be easily observed, and it can be confirmed whether or not ion implantation is performed on the entire surface of the silicon single crystal wafer.
  • the cause is a malfunction of the operating system of the wheel.
  • it is possible to easily find an abnormality in the scanning operation of the ion beam during implantation, and to easily identify the defective portion. And it can respond quickly, and it can prevent that productivity falls. In addition, the incidence of defective products can be reduced.
  • the observation of the surface of the silicon single crystal wafer W from the observation window 13 is performed by shifting 90 to 270 degrees from the center 11a of the wheel 11 on which the silicon single crystal wafer W is placed from the irradiation position 12 of the ion beam. It can be. Although it may be difficult to directly observe the ion-implanted region itself from the viewing window due to the configuration of the apparatus, for example, as shown in FIG. 2 (a state shifted by 180 degrees), the semiconductor wafer is moved from the ion beam irradiation position.
  • the operating state of the wheel is not completely visible, or the size of the viewing window is so narrow that the ion beam irradiation position cannot be confirmed. Even in this case, it can be confirmed whether or not ion implantation is performed on the entire surface of the semiconductor wafer. Further, by shifting 90 to 270 degrees, the possibility of being restricted by the configuration of the apparatus is reduced, so that there is an advantage that the implementation is easier.
  • indirect observation of light emission can be performed by installing an illuminometer 20 in a chamber in which ion implantation is performed.
  • it can also be performed by installing an illuminometer 20 at a position where light emission can be indirectly observed through a viewing window 13 provided in a chamber in which ion implantation is performed.
  • the operating state of the wheel cannot be observed directly from the viewing window. For example, if the viewing window is very small and it is difficult to confirm the light emission, or if you try to observe the light emission on the wafer surface like a single-wafer ion implanter, the beam line will be observed and it will be safe. This is the case when observation through the upper viewing window cannot be performed.
  • a semiconductor wafer having an insulating film light is emitted only while the ion beam is applied, so that the interior of the chamber becomes somewhat brighter. That is, if the beam does not completely pass through the wafer at the time of scan reversal, blue light remains although it is weak, and the inside of the chamber does not become completely dark.
  • the presence or absence of light emission on the wafer surface can be indirectly checked, and it can be confirmed whether the scan is reliably performed from the change in illuminance over time. Can do.
  • the ions to be implanted can be at least one of hydrogen, deuterium, and helium.
  • hydrogen molecular ions there is no problem with hydrogen molecular ions.
  • these light element ions need not be formed only from hydrogen gas or helium gas.
  • hydrogen ions are generated from a gas species containing hydrogen, for example, PH 3 , AsH 3, etc., and a hydrogen ion beam is obtained by extracting only the hydrogen ions with a mass analyzer. Also good.
  • the insulating film formed on the surface of the semiconductor wafer is not limited to an oxide film, and may be an insulating film such as a nitride film.
  • the present invention even if ion species whose implantation nonuniformity can be confirmed by sheet resistance is used, an ion species that is not a dopant type cannot be confirmed even when implanted into a semiconductor wafer. Even if it is used, according to the ion implantation status confirmation method of the present invention, it is possible to easily find defects in ion implantation and to suppress a decrease in manufacturing yield. In addition, it is easy to grasp the location where the failure occurs, and it is possible to shorten the apparatus stop time at the time of abnormality.
  • Example 1 An oxide film having a thickness of 200 nm was formed on the surface of a silicon single crystal wafer having a diameter of 300 mm by a pyrogenic method. Then, a silicon single crystal wafer with an oxide film is placed in a batch type ion implanter (wheel operation type), and ions of hydrogen ions are implanted under the conditions of an implantation energy of 100 keV (beam current of 10 mA) and a dose of 8 ⁇ 10 16 / cm 2. Implantation was performed on the entire wafer surface. At this time, the beam was generated from hydrogen gas.
  • a batch type ion implanter wheel operation type
  • the position rotated 180 degrees by rotating the spin from the irradiation position of the ion beam (position shifted 180 degrees with respect to the center of the wheel on which the semiconductor wafer is placed) can be visually observed from the observation window.
  • luminescence was observed, it was confirmed that blue light remained on the outer periphery of the silicon single crystal wafer at the ion irradiation position, and it was found that the periphery of the wafer was not quenched. And ion implantation was performed in this state.
  • this silicon single crystal wafer is used as a bond wafer, bonded to a base wafer made of the same standard silicon single crystal wafer, and then subjected to a peeling heat treatment (500 ° C., 30 minutes), followed by peeling with a hydrogen ion implanted layer.
  • An SOI wafer was produced.
  • the surface roughness of the peeled surface of the manufactured SOI wafer was measured, the surface roughness of the outer peripheral portion was about 1.5 times larger than that of the wafer center. Therefore, it was confirmed that the dose amount at the outer peripheral portion of the wafer was insufficient.
  • Example 2 In Example 1, the thickness of the formed oxide film is 100 nm, the ion implantation energy is 50 keV, the beam source is PH 3, and the ion implantation and the SOI wafer are manufactured under the same conditions. The surface roughness of the peeled surface was measured. Further, light emission during ion implantation was observed with a camera in a chamber installed at a position shifted from the ion irradiation position by 180 degrees with respect to the wheel center on which the semiconductor wafer was placed.
  • Example 1 As a result, as in Example 1, it was confirmed that the surface was shining blue without being quenched at the outer periphery of the silicon single crystal wafer at the ion irradiation position. Further, similarly to Example 1, the surface roughness of the outer peripheral portion was about 1.5 times larger than that of the wafer center, and it was confirmed that the dose amount of the outer peripheral portion of the wafer was insufficient. From the above results, it has been found that there is a problem in the wheel operating system of the ion implanter (the operating region is deviated from the desired range).
  • Example 3 In Example 1, the same conditions were used except that the thickness of the formed oxide film was 150 nm, the implanted ion species was helium, the ion implantation energy was 50 keV (beam current 15 mA), and the dose was 5 ⁇ 10 16 / cm 2. Ion implantation and manufacturing of an SOI wafer were performed, and the surface roughness of the peeled surface of the SOI wafer was measured in the same manner. In addition, light emission at the time of ion implantation was observed with a camera outside the chamber through a viewing window installed at a position shifted from the ion irradiation position by 180 degrees with respect to the wheel center on which the semiconductor wafer was placed.
  • Example 4 In Example 3, observation of light emission at the time of ion implantation was performed except that a luminometer was installed at a position where the silicon single crystal wafer in the chamber was not visible, and the change in brightness in the chamber was recorded with a chart recorder. Were ion-implanted under the same conditions, and similarly produced SOI wafers. Similarly, the surface roughness of the peeled surface of the SOI wafer was measured.
  • the present invention is not limited to the above embodiment.
  • the above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has any configuration that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention and that exhibits the same effects. Are included in the technical scope.

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Abstract

　本発明は、表面に絶縁膜を有する半導体ウェーハの一方の表面の全面にイオンを注入する際のイオン注入状況の確認方法であって、イオン注入の開始から終了までの間を通して、前記注入イオンのイオンビームが前記半導体ウェーハの表面上に照射される際に生ずる発光を直接的または間接的に観察することによって、前記半導体ウェーハへのイオン注入が前記全面に行われているかどうかを確認することを特徴とするイオン注入状況の確認方法である。これにより、イオン注入時の装置上の不具合などによるイオン注入の不均一性を早期に、かつ、容易に発見し、製品の品質安定化、故障期間の短縮化を図ることができるイオン注入状況の確認方法とそれを利用した半導体ウェーハの製造方法が提供される。

Description

イオン注入状況の確認方法および半導体ウェーハの製造方法
　本発明は、半導体ウェーハにイオン注入を行う際のイオンの注入状況を確認する方法と、それを利用した半導体ウェーハの製造方法に関する。
 
　半導体素子を形成する工程や、半導体ウェーハの製造工程の一つとして、イオン注入工程がある。このイオン注入工程とは、所望の元素をイオン化し、半導体ウェーハ内に添加する方法である。
　典型的なイオン注入では、ドーパント型の不純物である砒素、リン、アンチモンなどのｎ型不純物、あるいは、ボロンなどのｐ型不純物を、イオン注入機と呼ばれる装置を用いて半導体ウェーハ表面から打ち込み、ｎ型やｐ型の半導体領域を形成する。
　この方法によれば、拡散法による不純物添加に比べ、フォトレジストをマスクに使用できること、添加物の量や注入深さを正確にコントロールできること、不純物の横方向の広がりを抑えられるなどの特徴を有するため、ドーパント型の不純物添加法として広く利用されている。
　また、水素などの軽元素を半導体ウェーハ（ボンドウェーハ）の表面から打ち込み、絶縁膜を介して土台となるベースウェーハに貼り合わせた後、その貼り合わせたウェーハに熱処理等を行うことで、半導体ウェーハ中に注入された軽元素が駆動力となり、ボンドウェーハがイオン注入層で剥離して、半導体薄膜層がベースウェーハ上に転写される。
　この方法をイオン注入剥離法（スマートカット（登録商標）法）といい、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハの製造に利用されている。
　このイオン注入に用いるイオン注入機の基本原理は、所望の注入種を含むソースガスをアーク放電やマイクロ波放電によりイオン化し、電界を用いて加速する。そして加速されたイオンは、質量分析器の中で、磁界を用いて曲げられることで、注入種と不要な荷電種に分離される。このようにして抽出された注入種のみを、半導体ウェーハ表面から打ち込む。このうち注入種の打ち込み深さは加速電圧、打ち込み量はビーム電流の正確な制御でコントロールされる。
　ところで、注入種であるイオンはビームとして打ち込まれるので、ウェーハ全面に打ち込むには、ビーム走査やウェーハ移動が必要となる。
　イオン注入機には、複数枚を同時に注入するバッチ式（図１）と、一枚のウェーハに注入する枚葉式とがある。
　バッチ式イオン注入機１０は、例えば図１に示すように、イオン源１６によって発生させたイオンを電界をかけて取り出し、前段加速機構１７ａによって加速させる。その後、質量分析器１５を用いて磁場による質量分析を行い、所定の質量を有したイオンのみを取り出し、その後に後段加速機構１７ｂによって更に電界を印加し２回目の更なる加速（後段加速）を行う。この様にして加速されたイオンビーム１８をチャンバー１４内の半導体ウェーハＷの表面に注入するものである。
　ここで、半導体ウェーハＷは、ホイール１１と呼ばれるある一定半径の円周上に半導体ウェーハＷを並べて配置するウェーハ支持部に載置される。そして、ホイール１１がホイール中心１１ａを軸に例えば回転数８００～９００ｒｐｍで周速度５０ｍ／ｓｅｃ程度の高速回転することによって、ホイール１１の円周方向に対してウェーハ面内にイオンを均一に注入することができるものである。
　一方、ホイールの半径方向に対しては、（１）ビームを固定して、ホイールの半径方向にホイールを動かす方法と、（２）ビーム自体をホイールの半径方向にスキャンして、ホイールを半径方向に動かさない方法、の２パターンがある。いずれもこの向きのスキャン速度は１～１０ｃｍ／ｓｅｃ程度と低速である。
　また、枚葉式イオン注入機も、同様にウェーハ支持部を半径方向にも動かすか、ビーム自体を半径方向にスキャンすることによってウェーハ全面への注入を可能にしている。
　さて、イオン注入において、注入種を半導体ウェーハ全面に均一に注入することが求められる場合、イオンビームの状態や注入機の不具合などにより、均一に注入されない場合がある。
　そして特許文献１には、水素イオン注入において面内にイオン注入濃度のバラツキが生ずると、このバラツキを反映してへき開も平坦でなくなる恐れがある旨記載されている。
特開２００９－７６７７１号公報
　イオン注入の均一性を確認する方法としては、注入する元素がボロン、砒素、リン、アンチモンのようなドーパント型の不純物元素の場合は、ウェーハへの注入後に熱処理により活性化して、シート抵抗を測定することによってウェーハ面内の均一性を評価することができる。
　しかしながら、水素、ヘリウムなど、シート抵抗として均一性を評価できない非ドーパント型のイオン種では、面内注入均一性をウェーハにて評価することができない。この為、注入不均一が起きていることをなかなか気付くことできず、その間、大量の不良を発生させてしまうことになる。
　また、このようなシート抵抗が測定できない元素の場合、例えば、ＳＩＭＳ法（二次イオン質量分析法）やフォトルミネッセンス法などの他の測定手法により注入量を測定することは可能であるが、破壊検査であること、面内分布の測定には時間を要すること、測定精度が不十分であること（面内±５％程度が限度）、などの問題がある。
　また、ドーパント型のようなシート抵抗が測定できるイオン種であっても、不均一が存在することは容易に気付くことができるが、その原因がどこにあるのか見つけるのは難しく、時間がかかる。この為、問題解決に時間がかかり、生産性を落とす、という問題点がある。
　本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、イオン注入時の装置上の不具合などによるイオン注入の不均一性を早期に、かつ、容易に発見し、製品の品質安定化、故障期間の短縮化を図ることができるイオン注入状況の確認方法とそれを利用した半導体ウェーハの製造方法を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明では、表面に絶縁膜を有する半導体ウェーハの一方の表面の全面にイオンを注入する際のイオン注入状況の確認方法であって、イオン注入の開始から終了までの間を通して、前記注入イオンのイオンビームが前記半導体ウェーハの表面上に照射される際に生ずる発光を直接的または間接的に観察することによって、前記半導体ウェーハへのイオン注入が前記全面に行われているかどうかを確認することを特徴とするイオン注入状況の確認方法を提供する。
　上述のように、半導体ウェーハにイオン注入を行っても、注入時のビームの照射している状況を確認することはできない。しかし、絶縁膜が形成された半導体ウェーハにイオンを注入すると、半導体ウェーハ表面のビーム照射領域がある一定時間発光する。そしてこの発光現象を利用し、イオン注入中にイオンビームが半導体ウェーハに照射されている領域を発光領域として捉えることができ、この発光部の動きから、半導体ウェーハの全面にイオン注入が狙い通りに行われているかいないかを確認することができる。そして、狙い通り行われない、すなわちイオン注入中のイオン注入装置に不具合があるかどうかを容易に発見することができる。
　従って、本発明によれば、たとえ注入イオンがドーパント型でなかったとしても、イオン注入時のイオンビームの照射状況を容易に確認でき、また問題点がある場合の原因を短時間で発見できるようになり、そしてその問題点の解決に要する時間も短縮することができるようになる。よって、半導体ウェーハの品質を安定化させることができ、また生産性が低下することを防ぐことができる。
　ここで、前記イオンを、水素、重水素、ヘリウムの中の少なくとも１種類とすることができる。
　上述のような軽元素は、例えばスマートカット法によるＳＯＩウェーハの製造の際の注入イオンとしてよく利用されている。そしてこのスマートカット法では、剥離後のＳＯＩ層の平坦性の確保の面から、ボンドウェーハとなる半導体ウェーハ表面の全面に均一にイオンが注入されていることが求められる。
　これに対し、本発明のイオン注入状況の確認方法によれば、上述のような非ドーパント型のイオン種であっても、半導体ウェーハの全面にわたってイオン注入が行われているかいないかが容易にかつ確実に確認できる。
　また、前記イオン注入を行うイオン注入機をバッチ式イオン注入機とし、かつ前記発光の直接的な観察を、前記バッチ式イオン注入機のチャンバーに設けられた覗き窓から前記イオンビームが照射されている前記半導体ウェーハの表面を観察するものとすることが好ましい。
　このように、バッチ式イオン注入機によるイオン注入において、イオン注入機のチャンバーに設けられた覗き窓から発光（イオンビームの照射状況）を直接的に観察することで、半導体ウェーハの全面にイオン注入が狙い通りに行われているかを確実に確認することができ、よってより確実にイオン注入工程における不具合の有無や、不具合があった場合の対策をすぐに取ることができるようになる。
　そして、前記覗き窓からの前記半導体ウェーハの表面の観察を、前記イオンビームの照射位置から前記半導体ウェーハを載置するホイール中心に対して９０～２７０度ずらして行うものとすることが好ましい。
　装置の構成上、覗き窓からイオン注入されている領域そのものを直接観察することが難しい場合がある。しかしこのように覗き窓からの半導体ウェーハの表面の観察を、イオンビームの照射位置から半導体ウェーハを載置するホイール中心に対して９０～２７０度ずらして行うことによって、ホイールの作動状態が完全には見えない場合や、覗き窓の大きさが狭く、イオンビームの照射位置が確認できない場合であっても、イオンビームの照射領域が半導体ウェーハの全面に渡っているか否かを判断することができる。
　更に、前記発光の直接的な観察を、前記イオン注入が行われるチャンバー内にカメラを設置して、該カメラによって前記イオンビームが照射されている前記半導体ウェーハの表面を観察するものとすることが好ましい。
　このように、カメラを設置して観察することによって、確認漏れが発生する可能性が極力低くなり、より確実なイオン注入状況の確認を行うことができる。
　また、前記発光の間接的な観察を、前記イオン注入が行われるチャンバー内に照度計を設置することによって行うことができ、また、前記イオン注入が行われるチャンバーに設けられた覗き窓を通して前記発光を観察できる位置に照度計を設置することによって行うこととすることもできる。
　このように、イオン注入中の半導体ウェーハの発光状態を、チャンバー内に設置した照度計やチャンバーに設けられた覗き窓を通して照度計によって間接的に観察することによっても、イオンが半導体ウェーハの全面に照射されているかを確認することができる。
　また、本発明では、少なくともイオン注入工程を行う半導体ウェーハの製造方法であって、前記イオン注入工程では、本発明に記載のイオン注入状況の確認方法によって前記イオン注入される半導体ウェーハの観察を行いながらイオンを注入することを特徴とする半導体ウェーハの製造方法を提供する。
　上述のように、本発明のイオン注入状況の確認方法によれば、半導体ウェーハの一方の表面の全面にイオン照射が行われているかいないかの確認を、容易にかつ確実に行うことができる。
　従って、イオン注入工程が行われる半導体ウェーハの製造の際に、本発明のイオン注入状況の確認方法によって半導体ウェーハの表面の全面に渡ってイオン照射が行われているかいないかを確認することによって、イオン注入工程に起因する不具合の発生率を従来に比べて低減することができ、製造歩留りを向上させることができる。
　以上説明したように、本発明によれば、イオン注入時の装置上の不具合などによるイオン注入の不均一性を早期に、かつ、容易に発見し、製品の品質安定化、故障期間の短縮化を図ることができるイオン注入状況の確認方法とそれを利用した半導体ウェーハの製造方法が提供される。
 
バッチ式イオン注入装置の概略の一例を示した図である。 バッチ式イオン注入機を用いてシリコン単結晶ウェーハへイオン注入を行っている様子の概略の一例を示した図である。 バッチ式イオン注入機を用いてシリコン単結晶ウェーハへイオン注入を行っている様子の概略の他の一例を示した図である。 バッチ式イオン注入機を用いてシリコン単結晶ウェーハへイオン注入を行っている様子の概略の他の一例を示した図である。 本発明のイオン注入状況の確認方法の一様態の概略を示した図である。 本発明のイオン注入状況の確認方法の他の一様態の概略を示した図である。 本発明のイオン注入状況の確認方法の他の一様態の概略を示した図である。 本発明のイオン注入状況の確認方法の他の一様態の概略を示した図である。
　以下、本発明について、図を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
　本発明のイオン注入状況の確認方法では、まず、イオンを注入する半導体ウェーハの表面に絶縁膜を形成しておく。
　この形成する絶縁膜は、例えば酸化膜等が上げられ、その形成方法も特には限定されず、一般的な方法を使用すればよい。
　そして、この絶縁膜を形成した半導体ウェーハの表面に、注入を行いたい軽元素イオン等を注入する。この際、半導体ウェーハの表面上は注入イオンのイオンビームが照射されている箇所が発光する。この発光を、直接的か間接的に観察し、半導体ウェーハへのイオン注入がウェーハ表面の全面に行われているかどうかを確認する。
　シリコン単結晶ウェーハの例を挙げると、シリコン単結晶ウェーハの表面に絶縁膜としてシリコン酸化膜を形成し、これに、注入するイオンビームとして水素ビームを注入する。
　通常、イオン注入を行う装置の内部をのぞき見ることができる窓（覗き窓）は、ビームラインには安全上存在しない。しかし、例えばバッチ式イオン注入機では、ビームラインから離れた位置には、装置内部の状況を確認できる観察窓（覗き窓）を設置することができる。
　そこで、図２に示すように、水素イオンの注入中に、水素ビームがシリコン単結晶ウェーハＷに照射している位置１２に対し、例えば、シリコン単結晶ウェーハＷを載置するホイール１１のホイール中心１１ａに対して１８０度回転した位置を確認できる様に設けられた覗き窓１３によって、ホイール１１が高速回転している様子や、左右にホイール１１が作動している様子を直接的に確認することができる。
　そして、このようなシリコン酸化膜付きのシリコン単結晶ウェーハＷに水素イオン注入を行うと、この覗き窓１３から、イオンビームがウェーハ表面に当たっている様子が、ホイール１１の回転方向に青く光る一筋の帯１２ａとして観察することができる。なお、この発光現象は、水素イオンがシリコン酸化膜を通過する際に、シリコン酸化膜を励起しているために発生していると考えられるものである。
　更に、図３（ａ）～（ｅ）に示すように、ホイール１１、あるいは、イオンビームを左右に作動させることで、この帯が左右に動く様子を観察することができる。
　例えば、ホイールの作動が正常に行われているときは、青く光る一筋の帯は、スムーズに左右に動く（図３（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）→（ｅ）→（ｄ）→（ｃ）→（ｂ）→（ａ）→（ｂ）→・・・を繰り返す）。
　また、ビームは、ウェーハのスキャン方向に対して、必ず通り過ぎるので、ホイールの作動が反転する際は、青く光る一筋の帯は完全に消える（図３（ａ）、（ｅ）参照）。
　そして、イオンビームやホイールの作動に不具合があれば、イオンビームのスキャンが途中から急激に早くなったり、瞬間的に停止する等の異常が発生し、その異常は発光の帯１２ａの異常になって現れる。
　これによって、イオン注入の異常な現象を容易に観察することができ、シリコン単結晶ウェーハの全面にイオン注入が行われているかどうかが確認できる。
　更に、図４（ａ）～（ｅ）に示すように、ホイールの作動反転位置が狂っていると、ビームがウェーハを完全に抜ける前にホイールが反転作動してしまう（図４（ｅ）参照）ことになる。
　つまり、一筋の青い光がシリコン単結晶ウェーハ上で残った状態でホイールが反転作動してしまう。この状態では、青い光が残った領域では、他の位置と比較して、総注入時間が短くなってしまう。そして、この領域で注入量不足が生じてしまう。
　しかし、本発明のようにイオン注入中のイオンビームの照射位置の発光を観察すれば、所望の特性が得られなかったり、剥離の際に剥離面の面粗さが悪化する等の不具合が発生すると予見することができるようになる。また、その原因がホイールの作動系統の不具合であることを短時間で把握できる。
　このように、本発明によれば、注入中のイオンビームのスキャン動作の異常を容易に発見し、不具合箇所の特定を容易にすることができる。そしてその対応も迅速に行うことができ、生産性が落ちることを防ぐことができる。また不良品の発生率も低くすることができる。
　そして、覗き窓１３からのシリコン単結晶ウェーハＷの表面の観察を、イオンビームの照射位置１２からシリコン単結晶ウェーハＷを載置するホイール１１の中心１１ａに対して９０～２７０度ずらして行うものとすることができる。
　装置の構成上、覗き窓からイオン注入されている領域そのものを直接観察することが難しい場合があるが、例えば図２に示す（１８０度ずらした状態）ように、イオンビームの照射位置から半導体ウェーハを載置するホイール中心に対して９０～２７０度ずらして観察することによって、ホイールの作動状態が完全には見えない場合や、覗き窓の大きさが狭く、イオンビームの照射位置が確認できないような場合でも、確実にイオン注入が半導体ウェーハ全面に行われているかどうかを確認することができる。
　また、９０～２７０度ずらすことによって、装置の構成上の制約を受ける可能性が低くなるため、その実施がより容易なものとなるという利点も有する。
　また、図５に示すように、イオンビーム１８の照射によって発生する発光を覗き窓１３から直接的に目視で観察できるが、観察方法はこれに限られず、図６に示すように、チャンバー内にカメラ１９を設置して、ビデオなどにより発光を撮影して確認しても良い。更に、撮影した映像を画像処理することによって、イオンビームのスキャン動作を検証しても良い。
　このように、カメラによってイオンビームが照射されている表面を観察することによって、確認漏れが発生する可能性を極力小さくすることができ、より確実なイオン注入状況の確認を行うことができる。
　また、図７に示すように、発光の間接的な観察を、イオン注入が行われるチャンバー内に照度計２０を設置することによって行うことができる。
　他にも、図８に示すように、イオン注入が行われるチャンバーに設けられた覗き窓１３を通して発光を間接的に観察できる位置に照度計２０を設置することによって行うこともできる。
　場合によっては、覗き窓からホイールの作動状態を直接的に観察できない場合もある。
　例えば、覗き窓の大きさが非常に狭く、発光を確認することが困難な場合や、枚葉式イオン注入機のようにウェーハ表面の発光を観察しようとするとビームラインまで観察されてしまい、安全上覗き窓による観察を行うことができない場合等である。
　しかし、絶縁膜を有する半導体ウェーハであれば、イオンビームが当たっている間だけ発光するため、これによってチャンバー内が多少なりとも明るくなる。すなわち、スキャン反転時においてビームが完全にウェーハを抜けない場合、弱いながらも青い光が残り、チャンバー内が完全に暗くならない。
　そこで、チャンバー内部の照度の変化を照度計により観察することによって、ウェーハ表面の発光の有無を間接的に確認することができ、その照度の時間変化から確実にスキャンができているかで確認することができる。
　ここで、注入するイオンを、水素、重水素、ヘリウムの中の少なくとも１種類とすることができる。また、水素分子イオンでも問題ない。
　また、これらの軽元素イオンは、水素ガス、あるいは、ヘリウムガスからのみ形成する必要はない。例えば、水素イオンを注入する場合、水素を含むガス種、例えば、ＰＨ３、ＡｓＨ３などから水素イオンを発生させ、質量分析器にて水素イオンのみを引き出すことによって水素イオンビームを得ることにしても良い。
　また、この発光現象は上述のような軽元素イオンを注入する場合に限られない。そして半導体ウェーハの表面に形成する絶縁膜も酸化膜に限られず、窒化膜など絶縁性の膜であればよい。
　このように、本発明では、シート抵抗にて注入不均一性が確認できるイオン種を用いる場合であっても、半導体ウェーハに注入してもその注入の均一性が確認できないドーパント型でないイオン種を用いる場合であっても、本発明のイオン注入状況の確認方法によれば、イオン注入の不具合を容易に発見することができ、製造歩留りの低下を抑制できる。また不具合の発生箇所の把握が容易であり、異常時の装置停止時間を短縮化することが可能となる。
　そして、本発明に記載のイオン注入状況の確認方法によって半導体ウェーハの観察を行いながらイオン注入工程を行って、半導体ウェーハを製造することができる。
　上述のように、本発明のイオン注入状況の確認方法によれば、イオン注入される半導体ウェーハのイオン注入状況（発光の様子）を容易にかつ簡易に、更に非破壊で観察することができる。従って、本発明のイオン注入状況の確認方法によってイオン注入工程を観察することによって、イオン注入工程における不具合の発生率を低減でき、また不具合が発生した場合にも、その原因の特定が非常に容易であり、イオン注入工程を伴う半導体ウェーハの製造歩留りの向上を図ることができる。
 
　以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
　（実施例１）
　直径３００ｍｍのシリコン単結晶ウェーハの表面に、厚さ２００ｎｍの酸化膜をパイロジェニック法にて作製した。
　そして、酸化膜付きシリコン単結晶ウェーハをバッチ式イオン注入機（ホイール作動型）に設置して、注入エネルギー１００ｋｅＶ（ビーム電流１０ｍＡ）、ドーズ量８×１０１６／ｃｍ２の条件で水素イオンのイオン注入をウェーハ全面に行った。この際、ビームは水素ガスから発生させた。
　そして、このイオン注入の際、イオンビームの照射位置からスピン回転して１８０度ずらした位置（半導体ウェーハを載置するホイール中心に対して１８０度ずらした位置）を観察可能な覗き窓から目視にて発光を観察したところ、イオンの照射位置において、シリコン単結晶ウェーハの外周部に青い光が残っていることが確認され、ウェーハ周辺部での消光がされていないことが判った。そしてこの状態のままでイオン注入を行った。
　その後、このシリコン単結晶ウェーハをボンドウェーハとし、同一規格のシリコン単結晶ウェーハからなるベースウェーハと貼り合わせた後、剥離熱処理（５００℃、３０分）を行い、水素イオン注入層で剥離を行って、ＳＯＩウェーハを作製した。
　作製されたＳＯＩウェーハの剥離面の面粗さを測定したところ、ウェーハ中心に比べて外周部の面粗さが約１．５倍大きい値であった。
　従って、ウェーハ外周部のドーズ量が不足していることが確認できた。
　以上の結果より、イオン注入装置のホイール作動系に問題があること（作動領域が所望の範囲からずれていること）が判明し、シリコン単結晶ウェーハ表面の全面に所定量だけイオンが注入されていないこと、そしてイオン注入が所定だけ行われていない原因がホイール作動系にあることも容易に把握できた。
 
　（実施例２）
　実施例１において、形成した酸化膜の厚さを１００ｎｍ、イオン注入エネルギーを５０ｋｅＶ、ビームの発生源をＰＨ３とした以外は同様の条件でイオン注入、ＳＯＩウェーハの製造を行い、同様にＳＯＩウェーハの剥離面の面粗さを測定した。
　また、イオン注入時の発光の観察を、イオン照射位置から半導体ウェーハを載置するホイール中心に対して１８０度ずらした位置に設置したチャンバー内のカメラによって行った。
　その結果、実施例１と同様に、イオン照射位置に置いてシリコン単結晶ウェーハの外周部において消光することなく表面が青く光っていることが確認できた。
　また、実施例１と同様に、ウェーハ中心に比べて外周部の面粗さが約１．５倍大きい値であり、ウェーハ外周部のドーズ量が不足していることが確認できた。
　以上の結果より、イオン注入装置のホイール作動系に問題があること（作動領域が所望の範囲からずれていること）が判明した。
 
　（実施例３）
　実施例１において、形成した酸化膜の厚さを１５０ｎｍ、注入イオン種をヘリウム、イオン注入エネルギーを５０ｋｅＶ（ビーム電流１５ｍＡ）、ドーズ量を５×１０１６／ｃｍ２とした以外は同様の条件でイオン注入、ＳＯＩウェーハの製造を行い、同様にＳＯＩウェーハの剥離面の面粗さを測定した。
　また、イオン注入時の発光の観察を、イオン照射位置から半導体ウェーハを載置するホイール中心に対して１８０度ずらした位置に設置した覗き窓を通したチャンバー外のカメラによって行った。
　その結果、実施例１，２と同様に、イオン照射位置においてシリコン単結晶ウェーハの外周部において消光することなく表面が青く光っていることが確認できた。
　また、実施例１，２と同様に、ウェーハ中心に比べて外周部の面粗さが約１．５倍大きい値であり、ウェーハ外周部のドーズ量が不足していることが確認できた。
　以上の結果より、イオン注入装置のホイール作動系に問題があること（作動領域が所望の範囲からずれていること）が判明した。
 
　（実施例４）
　実施例３において、イオン注入時の発光の観察を、チャンバー内のシリコン単結晶ウェーハが見えない位置に照度計を設置し、チャンバー内の明るさの変化をチャートレコーダーで記録することによって行った以外は同様の条件でイオン注入を行い、同様にＳＯＩウェーハを作製した。そして同様にＳＯＩウェーハの剥離面の面粗さを測定した。
　その結果、ビームのスキャン反転位置が異常で、チャンバー内が完全に暗くならないことを確認することができた。
　また、実施例１－３と同様に、ウェーハ中心に比べて外周部の面粗さが約１．５倍大きい値であり、ウェーハ外周部のドーズ量が不足していることが確認できた。
　以上の結果より、イオン注入装置のホイール作動系に問題があること（作動領域が所望の範囲からずれていること）が判明した。
 
　なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

Claims (8)

  1. 　表面に絶縁膜を有する半導体ウェーハの一方の表面の全面にイオンを注入する際のイオン注入状況の確認方法であって、
    　イオン注入の開始から終了までの間を通して、前記注入イオンのイオンビームが前記半導体ウェーハの表面上に照射される際に生ずる発光を直接的または間接的に観察することによって、前記半導体ウェーハへのイオン注入が前記全面に行われているかどうかを確認することを特徴とするイオン注入状況の確認方法。
     
  2. 　前記イオンを、水素、重水素、ヘリウムの中の少なくとも１種類とすることを特徴とする請求項１に記載のイオン注入状況の確認方法。
     
  3. 　前記イオン注入を行うイオン注入機をバッチ式イオン注入機とし、
    　かつ前記発光の直接的な観察を、前記バッチ式イオン注入機のチャンバーに設けられた覗き窓から前記イオンビームが照射されている前記半導体ウェーハの表面を観察するものとすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のイオン注入状況の確認方法。
     
  4. 　前記覗き窓からの前記半導体ウェーハの表面の観察を、前記イオンビームの照射位置から前記半導体ウェーハを載置するホイール中心に対して９０～２７０度ずらして行うものとすることを特徴とする請求項３に記載のイオン注入状況の確認方法。
     
  5. 　前記発光の直接的な観察を、前記イオン注入が行われるチャンバー内にカメラを設置して、該カメラによって前記イオンビームが照射されている前記半導体ウェーハの表面を観察するものとすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のイオン注入状況の確認方法。
     
  6. 　前記発光の間接的な観察を、前記イオン注入が行われるチャンバー内に照度計を設置することによって行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のイオン注入状況の確認方法。
     
  7. 　前記発光の間接的な観察を、前記イオン注入が行われるチャンバーに設けられた覗き窓を通して前記発光を観察できる位置に照度計を設置することによって行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のイオン注入状況の確認方法。
     
  8. 　少なくともイオン注入工程を行う半導体ウェーハの製造方法であって、
    　前記イオン注入工程では、請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のイオン注入状況の確認方法によって前記イオン注入される半導体ウェーハの観察を行いながらイオンを注入することを特徴とする半導体ウェーハの製造方法。
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