JP5638995B2 - イオン注入方法及びイオン注入装置 - Google Patents

Description

本発明は、イオン注入に関し、より詳しくは、イオン注入装置のイオン注入量制御に関する。

半導体製造工程では、導電性を変化させる目的、ウエハ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入射する工程が標準的に実施されている。この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化され、その後加速されたイオンビームを形成する機能と、そのイオンビームをビームスキャン、ウエハメカニカルスキャン、またはそれらの組み合わせにより、半導体ウエハ全面に照射する機能を持つ。

半導体製造工程では、ウエハ全面に同一性能の半導体チップを作成する目的から、通常、ウエハ面内に均一な条件を作り込む必要がある。イオン注入工程においても、ウエハの全領域で注入されるイオン注入量が均一になるように、イオン注入装置をコントロールすることが通常である。

ところが、いくつかの半導体製造工程では、原理的にウエハ面内に均一な条件を作り込むことが困難になってきている。特に最近、半導体チップの微細化が飛躍的に進んでおり、その困難性が増すとともに、その不均一性の程度も増している。このような条件下で、それ以外の工程で、ウエハ面内で均一な条件を作り込むと、結果的にウエハ全面に同一性能の半導体チップを作成することができなくなる。例えばイオン注入工程で、ウエハ全領域で通常通りの面内イオン注入量が均一なイオン注入を行うと、結果として生じる半導体チップの電気的特性が同一でなくなり、同一性能の半導体チップの作成が不可能になる。

そこで、他の半導体製造工程でウエハ面内に均一な条件を作り込むことが出来ない場合に、そのウエハ面内２次元不均一性に対応して、イオン注入装置を用いてウエハ全面にイオンビームを照射する工程において、意図的に不均一な２次元イオン注入量面内分布を作成し、他の半導体製造工程のウエハ面内不均一性を補正することが考えられる。ここで、このような意図的に不均一な２次元イオン注入量面内分布を作成する場合でも、イオン注入工程のその他の機能に影響を与えることなく、イオン注入量面内分布のみを変更することが望ましい。また、言うまでもなく、他の半導体製造工程でウエハ面内に均一な条件を作り込むことが出来ない場合に、どのような面内パターンのウエハ面内不均一性が発生するかも、重要である。

ここでイオン注入装置には何種類かのタイプがある。例えば、ウエハを固定し、イオンビームを２次元的にスキャンする方式のイオン注入装置であれば、イオン注入量を比較的容易に変更することが可能である。ところが、最近はウエハ半径が大きくなり、２次元面内にイオンビームを満遍なくスキャンすることが非常に難しくなってきたので、このタイプのイオン注入装置は用いられなくなっている。

本発明は、イオンビームを往復ビームスキャンし、ビームスキャン方向に直交する方向にウエハをメカニカルにスキャンして、ウエハにイオンを打ち込むイオン注入装置に関する。

このようなタイプのイオン注入装置で、意図的に不均一な２次元イオン注入量面内分布を作成する場合、そのビームスキャン周波数は、ウエハのイオン注入ダメージに大きく影響を与えることが推測される。そして、ウエハのイオン注入ダメージは、最終的な半導体製品の特性に大きく影響を与えることも知られている。従って、イオン注入工程で意図的に不均一な２次元イオン注入量面内分布を作成する場合には、同一のビームスキャン周波数である必要がある。

同じく、イオンビームを往復ビームスキャンし、ビームスキャン方向に直交する方向にウエハをメカニカルにスキャンして、ウエハにイオンを打ち込むイオン注入装置で、意図的に不均一な２次元イオン注入量面内分布を作成する場合、そのビームスキャン方向にスキャンされたイオンビームが取り得る全幅（以下、ビームスキャン振幅と称する）も、通常の均一なイオン注入時のビームスキャン振幅と同様であることが望まれる。特に、ウエハ外にスキャンされたイオンビームは、構造上ウエハ外に必然的に設置される構造物と相互作用を行い、２次電子の放出、２次イオンの放出を伴う。これら２次電子、２次イオンは、その２次的な効果として、ウエハ上のチャージバランス、以前に使用されていた別イオン種のウエハへの付着（クロスコンタミ）、現在使用されているイオン種のウエハへの付着（セルフコンタミ）を伴う。ビームスキャン振幅が変化すると、上記チャージバランス、クロスコンタミ、セルフコンタミも変化してしまうが、最近の微細化された半導体製品については、この種の変化が、最終的な半導体製品の特性に大きく影響を与えることが知られている。従って、イオン注入工程で意図的に不均一な２次元イオン注入量面内分布を作成する場合には、同一のビームスキャン振幅である必要がある。

以上をまとめると、イオン注入装置で、意図的に不均一な２次元イオン注入量面内分布を作成する場合、そのビームスキャン周波数とビームスキャン振幅は、通常の均一なイオン注入時のビームスキャン周波数、ビームスキャン振幅と同一であることが求められる。すなわち、このような場合でも、ビームスキャン周波数とビームスキャン振幅の両者を、同時に固定することが求められる。

イオンビームを往復ビームスキャンし、ビームスキャン方向に直交する方向にウエハをメカニカルにスキャンして、ウエハにイオンを打ち込むイオン注入装置を用いて、意図的に不均一な２次元イオン注入量面内分布を作成し、他の半導体製造工程のウエハ面内不均一性を補正する場合において、ウエハをメカニカルスキャン方向において複数の注入領域に分け、各注入領域ごとにビームスキャン方向のスキャン速度を可変とするよう構成し、それによってウエハ内のイオン注入量を制御することが考えられる。

その場合の具体的な制御方法として、イオンビームを往復ビームスキャンし、ビームスキャン速度を変化させる方法が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００３−８６５３０号公報

特許文献１のイオン注入方法では、単純にビームスキャン速度を変化させるので、ビームスキャン周波数またはビームスキャン振幅のいずれか一方は必ず変化してしまい、その両者を同時に固定することはできず、既に述べた、最近の微細化された半導体製品において、イオン注入工程で意図的に不均一な２次元イオン注入量面内分布を作成する際に必要な条件を満たさない。

本発明の課題は、イオンビームを往復ビームスキャンし、ビームスキャン方向に直交する方向にウエハをメカニカルにスキャンして、ウエハにイオンを打ち込む装置において、ウエハをメカニカルスキャン方向において複数の注入領域に分け、各注入領域ごとにビームスキャン方向のビームスキャン速度を可変設定可能にし、それによってウエハ内のイオン注入量を制御する場合に、ビームスキャン周波数とビームスキャン振幅を共に一定にしながら、ウエハ内のイオン注入量制御を実現することである。

本発明は、イオンビームを往復ビームスキャンし、ビームスキャン方向に直交する方向にウエハをメカニカルにスキャンして、ウエハにイオンを打ち込む装置に適用される。

本発明の態様によれば、イオンビームを往復ビームスキャンし、ビームスキャン方向に直交する方向にウエハをメカニカルにスキャンして、ウエハにイオン注入するイオン注入方法において、ウエハメカニカルスキャン方向においてウエハ面内の注入領域を複数に分割して、各注入領域ごとに、ビームスキャン方向のビームスキャン速度を可変設定可能にするよう構成し、各注入領域ごとのイオン注入量分布に対応するビームスキャン速度の可変設定により算出した速度パターンに基づいてビームスキャン速度を変更制御することにより、各注入領域のイオン注入量分布を制御し、各注入領域に対応させてウエハメカニカルスキャン速度を設定して各注入領域ごとに制御することにより、各注入領域のイオン注入量を制御すると共に、各注入領域ごとのビームスキャン速度の制御におけるビームスキャン周波数とビームスキャン振幅を一定とするよう構成したことを特徴とするイオン注入方法が提供される。

上記の態様によるイオン注入方法は、以下のように構成されても良い。

各注入領域ごとのビームスキャン方向のイオン注入量分布とイオン注入量とを各々設定したウエハに対して、複数の注入領域に連続してイオン注入を行う。

各注入領域は、ウエハのメカニカルスキャン方向において均等な間隔となるように構成しても良いし、ウエハのメカニカルスキャン方向において任意に設定した間隔となるように構成しても良い。

前記ビームスキャン速度の速度パターンを各注入領域ごとに各イオン注入量分布に対応して個別に設定する。

各注入領域ごとにビーム測定装置により、一定数のビームスキャン周期分に相当するイオンビーム電流の積分値を測定し、測定したイオンビーム電流の積分値に対応して、各注入領域ごとに可変設定により算出した各速度パターンに基づいてウエハメカニカルスキャン速度を制御する。

各注入領域ごとのビームスキャン速度の変更に伴い、ウエハメカニカルスキャン速度を、ビームスキャン速度とウエハメカニカルスキャン速度の積が各速度パターンごとにそれぞれ一定になるように変更する。

ビームスキャン速度の速度パターンを保ちながら、その基準速度に比例定数を乗算して、各注入領域ごとに基準速度を変更し、ビームスキャン振幅及びビームスキャン周波数を一定化する。

目的のイオン注入量分布が、同心円形状の任意の不均一な２次元イオン注入量分布、あるいは同心リング形状の任意の不均一な２次元イオン注入量分布、もしくは複数個のウエハ面内特定位置に対して、部分的にイオン注入量を増減させる任意の不均一な２次元イオン注入量分布である。

本発明の別の態様によれば、イオンビームを往復ビームスキャンし、ビームスキャン方向にほぼ直交する方向にウエハをメカニカルにスキャンして、ウエハにイオン注入するイオン注入装置において、他の半導体製造工程のウエハ面内不均一性を補正する目的で、ウエハをメカニカルスキャン方向において複数の注入領域に分け、その注入領域ごとにビームスキャン方向のビームスキャン速度を可変設定可能に構成し、それによってウエハ内のイオン注入量を制御する場合に、ビームスキャン周波数とビームスキャン振幅を共に固定しながら、各注入領域に所望のイオン注入量分布とイオン注入量を実現する制御装置を備えたイオン注入装置が提供される。この態様においては、前記制御装置は、各注入領域ごとのイオン注入量分布に対応するビームスキャン速度の可変設定により算出した速度パターンに基づいてビームスキャン速度を変更制御することにより、各注入領域のイオン注入量分布を制御し、各注入領域に対応させてウエハメカニカルスキャン速度を設定して各注入領域ごとに制御することにより、各注入領域のイオン注入量を制御すると共に、各注入領域ごとのビームスキャン速度の制御におけるビームスキャン周波数とビームスキャン振幅を一定とする。

上記の態様によるイオン注入装置は、以下のように構成されても良い。

ビーム測定装置を更に備え、該ビーム測定装置は、各注入領域ごとに一定数のビームスキャン周期分に相当するイオンビーム電流の積分値を測定し、前記制御装置は、測定したイオンビーム電流の積分値に対応して、各注入領域ごとにウエハメカニカルスキャン速度を制御する。

前記制御装置は、各注入領域ごとのビームスキャン速度の変更に伴い、ウエハメカニカルスキャン速度を、ビームスキャン速度とウエハメカニカルスキャン速度の積が各速度パターンごとにそれぞれ一定になるように変更する。

前記制御装置は、ビームスキャン速度の速度パターンを保ちながら、その基準速度に比例定数を乗算して、各注入領域ごとに基準速度を変更し、ビームスキャン振幅及びビームスキャン周波数を一定化する。

本発明によれば、イオンビームを往復ビームスキャンし、ビームスキャン方向に直交する方向にウエハをメカニカルにスキャンして、ウエハにイオンを打ち込む装置において、他の半導体製造工程のウエハ面内不均一性を補正する目的で、ウエハをメカニカルスキャン方向において複数の注入領域に分け、各注入領域ごとにビームスキャン速度を可変設定可能に構成し、それによってウエハ内のイオン注入量を制御する場合に、ビームスキャン周波数とビームスキャン振幅を共に固定しながら、目的のイオン注入量分布とイオン注入量とを実現することができる。

本発明によれば、イオンビームを往復ビームスキャンし、ビームスキャン方向に直交する方向にウエハをメカニカルにスキャンして、ウエハにイオンを打ち込む装置において、他の半導体製造工程のウエハ面内不均一性を補正する目的で、ウエハをメカニカルスキャン方向において複数の注入領域に分け、各注入領域ごとにビームスキャン速度を可変設定可能に構成し、それによってウエハ内のイオン注入量を制御する場合に、ビームスキャン周波数とビームスキャン振幅を共に固定しながら、同心円形状、同心リング形状のイオン注入量分布とイオン注入量とを実現することができる。

本発明によれば、イオンビームを往復ビームスキャンし、ビームスキャン方向に直交する方向にウエハをメカニカルにスキャンして、ウエハにイオンを打ち込む装置において、他の半導体製造工程のウエハ面内不均一性を補正する目的で、ウエハをメカニカルスキャン方向において複数の注入領域に分け、各注入領域ごとにビームスキャン速度を可変設定可能に構成し、それによってウエハ内のイオン注入量を制御する場合に、ビームスキャン周波数とビームスキャン振幅を共に固定しながら、複数個のウエハ面内特定位置に対して、部分的にイオン注入量を増減させて意図的に不均一な２次元イオン注入量分布とイオン注入量とを実現することができる。

本発明によれば、イオンビームを往復ビームスキャンし、ビームスキャン方向に直交する方向にウエハをメカニカルにスキャンして、ウエハにイオンを打ち込む装置において、他の半導体製造工程のウエハ面内不均一性を補正する目的で、ウエハをメカニカルスキャン方向において複数の注入領域に分け、各注入領域ごとにビームスキャン速度を可変設定可能に構成し、それによってウエハ内のイオン注入量を制御する場合に、ビームスキャン周波数とビームスキャン振幅を共に固定しながら、目的のイオン注入量分布とイオン注入量とを実現できる機能を有するイオン注入装置を提供することができる。

本発明が適用され得るイオン注入装置の一例を説明するための概略図である。 図１のイオン注入装置により、イオン注入が行われるときの様子を説明するための図である。 本発明が適用され得るイオン注入装置における、イオンビーム電流の特徴について説明するための図である。 本発明が適用され得るイオン注入装置における、イオンビーム電流の特徴について説明するための図である。 ウエハをメカニカルスキャン方向において複数の注入領域に分け、各注入領域ごとにビームスキャン速度を可変にする場合の、ビームスキャン周波数とビームスキャン振幅について説明するための図である。 本発明によるイオン注入量の制御に関して、ビームスキャン速度とウエハメカニカルスキャン速度の関係を基に、概略的に説明するための図である。 ビームスキャン周波数、ビームスキャン振幅、及びウエハメカニカルスキャン速度の関係を、ビームスキャン速度の速度パターンと関連づけて、説明するための図である。 本発明によるイオン注入量の制御に関して、ビームスキャン速度の速度パターンと関連づけて、概略的に説明するための図である。 本発明により、実際に得られた意図的なウエハ面内２次元不均一イオン注入量分布の例である。 本発明により、実際に得られた意図的なウエハ面内２次元不均一イオン注入量分布の例である。 ウエハのメカニカルスキャン方向における分割例を示した図である。

ここで、図１を参照して、本発明が適用され得るイオン注入装置の概略構成について説明する。図１（ａ）はイオン注入装置の概略構成を平面図で示し、図１（ｂ）はイオン注入装置の概略構成を側面図で示す。

本発明が適用され得るイオン注入装置は、イオン源１から引出電極２により引き出したイオンビームがウエハ１０に至るビームライン上を通るようにするために、該ビームラインに沿って、質量分析磁石装置３、質量分析スリット４、ビームスキャナー５、ウエハ処理室（イオン注入室）を配設している。ウエハ処理室内には、ウエハを保持する機構を備えたメカニカルスキャン装置１１が配設される。イオン源１から引き出されたイオンビームは、ビームラインに沿ってウエハ処理室のイオン注入位置に配置されたホルダ上のウエハ１０に導かれる。

イオンビームは、ビームラインの途中で、ビームスキャナー５を用いて往復ビームスキャンされ、パラレルレンズ６の機能により、平行化された後、ウエハ１０まで導かれる。

本発明が適用されるイオン注入装置では、ビームスキャン方向に直交する方向にウエハをメカニカルにスキャンして、ウエハ１０にイオンを打ち込む。図１では、角度エネルギーフィルタ７を用いてイオンビームを曲げ、イオンエネルギーの均一性を高めているが、これは一例であって、角度エネルギーフィルタ７は用いなくても良い。

実際には、ウエハ１０に均一なイオン注入を実施するため、ないし、ウエハ１０に意図的に不均一な２次元イオン注入量分布を実施するため、ウエハ領域ビーム測定装置９を用いて、イオンビーム測定を行い、しかる後にウエハ１０をセットする。図１では、ウエハ領域ビーム測定装置９は、図中一点鎖線で示す位置との間で可動であるように描かれているが、これは一例であって、非可動タイプのウエハ領域ビーム測定装置９を用いても良い。

ウエハ処理室には、ドーズカップ８が設置され、イオン注入中も含めイオンビーム電流を測定する。図１では、ドーズカップ８が、ウエハ１０の前方側においてビームスキャン方向の両側に対応する２箇所に設置されているが、これは一例であって、イオン注入中も含めイオンビーム電流量を測定できる位置であれば、ドーズカップ８はウエハ１０の後方側に設置しても良いし、ウエハ１０を含む平面上に設置しても良い。また、図１では、ドーズカップ８はビームスキャン方向の両側に２個設置されているが、これは一例であって、１個であっても良いし、３個以上の複数個であっても良い。

ウエハ１０は、ウエハ１０を保持する機構を備えたメカニカルスキャン装置１１にセットされる。ここで図１（ａ）において、ウエハ１０はメカニカルスキャン装置１１と共に、図面の面に直交する上下方向に往復移動することを示し、図１（ｂ）においてウエハ１０は、メカニカルスキャン装置１１と共に図面の面に沿う方向で往復移動することを示している。

ここで図２を参照して、ウエハ１０にイオン注入を行うときの様子をさらに詳しく説明する。特に図２（ａ）はウエハ１０を前方から見た正面図であり、図２（ｂ）はウエハ１０を上方から見た平面図である。既に図１で説明したように、ウエハ１０は、ウエハ１０を保持する機構を備えたメカニカルスキャン装置１１にセットされ、図２（ａ）においてウエハ１０は、メカニカルスキャン装置１１と共に図面の面に沿って上下方向に往復移動する。一方、図２（ｂ）では、ウエハ１０は図面の面に直交する上下方向に往復移動する。以下では、この方向をＹ軸方向と呼ぶことがある。

メカニカルスキャン装置１１は、制御を司るＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：制御装置）１２を備え、必要に応じてメカニカルスキャン装置１１のスキャン速度を変更することにより、ウエハ１０のスキャン速度（以下、ウエハメカニカルスキャン速度と呼ぶ）を制御する。また、ＣＰＵ１２は、ビームスキャン方向のスキャン速度（以下、ビームスキャン速度と呼ぶ）を制御する。また、メカニカルスキャン装置１１は、ウエハ１０の上下方向に関する移動位置を記憶するＲＡＭ１３を備え、必要に応じてウエハ１０の移動位置を記憶する。ＲＡＭ１３はまた、ビームスキャンスキャン速度の速度パターンを記憶する。ドーズカップ８は、イオンビーム電流量を測定し、その測定値をＣＰＵ１２に出力する。

図２（ａ）で、破線の矢印は、ビームスキャナー５によってスキャンされたイオンビームの軌道を示している。図２（ａ）では、イオンビームはドーズカップ８を横切るように水平方向に往復ビームスキャンされる。以下では、この方向をＸ軸方向と呼ぶことがある。この水平方向（Ｘ軸方向）に往復ビームスキャンされているイオンビームに対して、実線の互いに反対向きの２本の矢印で示すように、ウエハ１０が上下方向（Ｙ軸方向）に移動すると、イオンビームはウエハ１０の全面を往復ビームスキャンすることになり、その結果としてウエハ１０の全面にイオンが注入される。具体的には、ウエハ１０が最下位置から最上位置、ないし最上位置から最下位置まで移動する間に、ウエハ１０の全面にイオンが注入される。

ここで、図３（ａ）、（ｂ）及び図４（ａ）、（ｂ）を参照して、本発明が適用され得る、イオンビームを往復ビームスキャンし、ビームスキャン方向に直交する方向にウエハをメカニカルにスキャンして、ウエハにイオンを打ち込むイオン注入装置における、イオンビーム電流の特徴について説明する。このタイプのイオン注入装置では、ウエハ内のイオン注入量は、イオン源１で発生するイオンビームの強度を変えて制御されるのではない。

本発明は、図１１に示すように、ウエハ１０をメカニカルスキャン方向、すなわちＹ軸方向に関して複数の注入領域に分け、各注入領域ごとにビームスキャン速度を可変にすることによって、ウエハ内のイオン注入量を制御する場合に適用されるが、このような場合、ビームスキャン速度を変えることによりウエハ内のイオン注入量が制御される。図１１ではウエハ１０をＡ１〜Ａ１０の１０段に分割しているが、これは一例にすぎず、分割の範囲は数段〜数十段である。また、各注入領域は、ウエハのメカニカルスキャン方向において均等な間隔、あるいは任意の間隔のいずれに設定されても良い。

ここで、ビームスキャン速度と、ビームスキャン周波数及びビームスキャン振幅の関係を説明する。ビームスキャン周波数はイオンビームを往復ビームスキャンさせるための周波数である。一般的には、ビームスキャン振幅はビームスキャン速度の時間積分で表され、また、ビームスキャン周波数は１周期あたりの時間の逆数で表される。図３（ａ）、（ｂ）及び図４（ａ）、（ｂ）は、この関係を模式的に表した図である。これらの図では、理解のために、２つのビームスキャン速度をそれぞれ一定値v0、v1で表している。

図３（ａ）、（ｂ）及び図４（ａ）、（ｂ）において、ビームスキャン振幅は、一辺を１周期当たりの時間、もう一辺をビームスキャン速度とする長方形の面積で表される。例えば、図３で１周期当たりの時間t0、ビームスキャン速度v0の場合、ビームスキャン振幅S0は、S0=v0×t0で表される。また、同じく１周期当たりの時間がt0の場合、ビームスキャン周波数は1/t0で表される。

ここで、ウエハのイオン注入量を制御するために、ビームスキャン速度を変えると、ビームスキャン周波数及びビームスキャン振幅がどう変化するか例示する。まず、元来のビームスキャン速度をv0、スキャン１周期当たりの時間をt0とする。このとき、既に説明したように、ビームスキャン周波数は1/t0、ビームスキャン振幅S0は、S0=v0×t0で表される。

ここで、ビームスキャン速度をv1に変えたとする。図３（ａ）、（ｂ）によって明らかであるが、ビームスキャン周波数を一定にするために、スキャン１周期当たりの時間t0を変えない場合、ビームスキャン振幅は、一辺を１周期当たりの時間、もう一辺をビームスキャン速度とする長方形の面積で表されるので、ビームスキャン振幅Sは、S=v1×t0で表される。すなわち、ビームスキャン速度をv0からv1に変更すると、ビームスキャン周波数を変更しない場合、ビームスキャン振幅が変わってしまう。なお、図３（ａ）及び図４（ａ）は、v0＜V1の場合を示し、図３（ｂ）及び図４（ｂ）は、v0＞V1の場合を示している。

図４のように、ビームスキャン速度をv1に変えた場合でも、ビームスキャン振幅を一定にすることは可能である。すなわち、元来のビームスキャン速度をv0、スキャン１周期当たりの時間をt0とした場合のビームスキャン振幅は、図４（ａ）では（Sa+Sb）、図４（ｂ）では（Sc+Sd）で表されることになる。ここで、このビームスキャン振幅が一定になるように、長方形の面積を制御し、ビームスキャン速度v1の場合のスキャン１周期当たりの時間をt1に変更すれば、ビームスキャン振幅はやはり（Sa+Sb）（図４ａ）、または（Sc+Sd）（図４ｂ）で表されるので、ビームスキャン振幅は一定となる。しかし、この場合には、スキャン１周期当たりの時間をt0からt1に変更するので、その逆数のビームスキャン周波数も1/t0から1/t1に変更され、ビームスキャン周波数が変わってしまう。

この状況は、イオンビームを往復ビームスキャンし、ビームスキャン方向に直交する方向にウエハをメカニカルにスキャンして、イオンをウエハに打ち込む装置において、他の半導体製造工程のウエハ面内不均一性を補正する目的で、ウエハをメカニカルスキャン方向に関して複数の注入領域に分け、各注入領域ごとにビームスキャン速度を可変にし、それによってウエハ内のイオン注入量を制御する場合においても、同様である。ここで、図５を参照して、さらに詳しく説明する。

図５では、ウエハメカニカルスキャン位置L1およびL2でビームスキャン速度を変更した場合の、スキャン１周期当たりの時間とビームスキャン振幅の関係を示している。ウエハメカニカルスキャン位置というのは、ウエハがメカニカルスキャンされることによるＹ軸方向の位置である。ここでは３領域（位置L0,L1,L2）のみを示しているが、領域数がさらに増えても以下の議論は同様である。

図５では、ビームスキャン速度の基準速度をBv0で表している。この基準速度は、ウエハをメカニカルスキャン方向に領域を分けない場合に、ある一定イオン注入量でウエハにイオン注入を行う場合の、ビームスキャン速度を模式的に表している。現在の先行技術においては、ウエハをメカニカルスキャン方向に領域を分けた場合にも、それぞれの領域で、ある一定イオン注入量を得る場合には、それぞれの領域でのビームスキャン速度の基準速度はBv0と同じ基準速度を用いている。図５の中間の領域（位置L1）では、ウエハの中央領域でビームスキャン速度が速くなるように制御する速度パターンを示し、図５の後ろ側の領域（位置L2）では、ウエハの中央領域でビームスキャン速度が遅くなるように制御する速度パターンを示している。以下の説明で、ビームスキャン速度の速度パターンがこれらに限らないことは言うまでもない。ビームスキャン速度の速度パターンは、ウエハのメカニカルスキャン方向に関して分割された各注入領域ごとに各イオン注入量分布に対応して個別に設定されるのが望ましい。

図５においては、ビームスキャン振幅S0が一定になるような制御が行われた場合を示している。既に図４で説明したように、この場合にはスキャン１周期当たりの時間をt0からt1またはt2に変更するので、その逆数のビームスキャン周波数も1/t0から1/t1または1/t2に変更され、ビームスキャン周波数が変わってしまう。図５では、t0よりt1が小さいように、また、t0よりt2が大きいように、図示している。

また、ビームスキャン周波数を一定にするために、スキャン１周期当たりの時間t0を変えない場合、既に図３で説明したのと同じ理由で、ビームスキャン振幅は変わってしまう。特に、ウエハをメカニカルスキャン方向において複数の注入領域に分け、各注入領域ごとにビームスキャン速度を可変にし、それによってウエハ内のイオン注入量を制御する場合、ビームスキャン振幅が変わるということは、スキャンされたイオンビームがウエハを抜けきらない場合があることを示すものである。換言すれば、ウエハの全面にイオン注入を行なえなくなることを意味し、イオン注入装置に当然に求められる機能を満たすことができない。

今まで説明してきたように、現在の先行技術において、ビームスキャン速度を変えた場合に、イオン注入工程で意図的に不均一な２次元イオン注入量面内分布を作成する際に必要な条件たる、ビームスキャン周波数とビームスキャン振幅を同時に固定する（一定とする）ことはできない。これは、ウエハをメカニカルスキャン方向に領域を分けたとき、それぞれの領域で、ある一定イオン注入量を得るために、それぞれの領域でのビームスキャン速度の基準速度Bv0を同一に設定する場合には、常に発生する本質的問題である。

本発明では、イオンビームスキャン機能とウエハメカニカルスキャン機能を備えるイオン注入装置において、他の半導体製造工程のウエハ面内不均一性を補正する目的で、ウエハをメカニカルスキャン方向において複数の注入領域に分け、各注入領域ごとにビームスキャン速度を可変設定可能に構成し、それによってウエハ内のイオン注入量を制御する場合に、一定数のビームスキャン周期分に相当するイオンビーム電流の積分値をドーズカップ８で測定し、測定したイオンビーム電流の積分値に対応して、メカニカルスキャン装置１１を制御し、それによってウエハメカニカルスキャン速度を制御することにより、ビームスキャン周波数とビームスキャン振幅を共に固定しながら、注入領域ごとに目的のイオン注入量分布とイオン注入量とを実現できるようにしている。

本発明ではまた、イオンビームスキャン機能とウエハメカニカルスキャン機能を備えるイオン注入装置において、他の半導体製造工程のウエハ面内不均一性を補正する目的で、ウエハをメカニカルスキャン方向において複数の注入領域に分け、各注入領域ごとにビームスキャン速度を可変設定可能に構成し、それによってウエハ内のイオン注入量を制御する場合に、その注入領域で目的の不均一なイオン注入量分布のパターンを保ちながら、ビームスキャン振幅が一定になるように、ビームスキャン速度に比例定数を乗算し、ビームスキャン振幅を固定化することにより、ビームスキャン周波数とビームスキャン振幅を共に固定しながら、目的のイオン注入量分布とイオン注入量とを実現できるようにしている。

ここで、まず、図６を参照して、制御装置、すなわちＣＰＵ１２による、イオン注入量の制御に関して、概略的に説明する。イオン注入装置でのイオン注入量を考える場合、通常は１次元的、すなわちビームスキャン速度のみを考えればよいが、正確には、２次元的に扱わなければいけない。すなわち、ビームスキャン方向に直交する方向にウエハ１０はメカニカルスキャン装置１１によってスキャンされるので、メカニカルスキャン装置１１によって制御されるウエハメカニカルスキャン速度を考慮に入れなければならない。

さらに、ビームスキャン周波数の条件、ビームスキャン振幅の条件、ウエハメカニカルスキャン速度の条件を一度に考察するためには、図６のように、一辺をビームスキャン１周期当たりの時間、一辺をビームスキャン速度、一辺をウエハメカニカルスキャン速度とする３次元空間を用いることが便利である。図６は、その概略図である。ここでは、イオン注入量は、ビームスキャン速度v0とウエハメカニカルスキャン速度V0の積、v0V0=v0×V0に反比例する。すなわち、ビームスキャン速度軸とウエハメカニカルスキャン速度軸で形成される平面上の１辺がビームスキャン速度v0、１辺がウエハメカニカルスキャン速度V0の長方形の面積v0V0=v0×V0を一定にすることが、イオン注入量を一定にすることを意味する。またビームスキャン１周期当たりのウエハメカニカルスキャン距離は、ウエハメカニカルスキャン速度V0とビームスキャン１周期当たりの時間t0の積、V0×t0で表される。また、ビームスキャン振幅S0は、図３と同様に、S0=v0×t0で表される。

従って、ビームスキャン周波数とビームスキャン振幅を共に固定しながら、目的のイオン注入量を得るためには、ビームスキャン１周期当たりの時間t0と、ビームスキャン振幅S0（=v0×t0）を一定にしながら、v0×V0を制御すれば良いことになる。

図６では簡単のために、同一のビームスキャン速度、同一のウエハメカニカルスキャン速度を用いているが、ビームスキャン速度が可変設定可能にされる場合でも、またウエハメカニカルスキャン速度が可変設定可能にされる場合でも、おなじ議論が成り立つ。

ここで、イオンビームを往復ビームスキャンし、ビームスキャン方向に直交する方向にウエハをメカニカルにスキャンして、イオンをウエハに打ち込む装置において、ウエハをメカニカルスキャン方向に領域を分ける場合について、それぞれの領域ごとに、ある一定量のイオン注入を行う場合においては、それぞれの領域毎にビームスキャン周波数とビームスキャン振幅を一定にすることにより、自動的にビームスキャン速度が同一になるのであり、図６で説明したイオン注入量の制御に関する本質があからさまには見えてこない。

しかし、本発明に関する、イオンビームスキャン機能とウエハメカニカルスキャン機能を備えるイオン注入装置において、他の半導体製造工程のウエハ面内不均一性を補正する目的で、ウエハをメカニカルスキャン方向において複数の注入領域に分け、各注入領域ごとにビームスキャン速度を可変設定可能にし、それによってウエハ内のイオン注入量を制御する場合には、その注入領域内でビームスキャン速度の速度パターンを用いる必要があり、従って、それぞれの注入領域の一部分に同一のイオン注入を行う場合に、それぞれの注入領域毎にビームスキャン周波数とビームスキャン振幅を一定にすることと、１つの注入領域を通してビームスキャン速度の基準速度を一定にすることについては、相互に矛盾が生じてしまう。

ここで、図７を参照して、本発明に関する、イオンビームスキャン機能とウエハメカニカルスキャン機能を備えるイオン注入装置において、他の半導体製造工程のウエハ面内不均一性を補正する目的で、ウエハをメカニカルスキャン方向において複数の注入領域に分け、各注入領域ごとにビームスキャン速度を可変設定可能にし、それによってウエハ内のイオン注入量を制御する場合の、ビームスキャン周波数、ビームスキャン振幅、及びウエハメカニカルスキャン速度の関係を説明する。図７では、速度パターンが平坦なPv0から、ウエハの中央部のみビームスキャン速度を高くするように変更した速度パターンPv1を示している。勿論、以下の説明で、ビームスキャン速度の速度パターンがこれに限らないことは言うまでもない。

ここで、図７のウエハの中央部以外は、図６と同一のイオン注入量強度を得たいものとする。それぞれの基準速度を同一のBv0にすると、既に説明したように、ビームスキャン周波数、ビームスキャン振幅のいずれか一方は、固定することは出来ない。

しかし、同一のイオン注入量強度を得るために、基準速度を一定にする必要はない。すなわち、既に図６で説明したように、イオン注入量を一定にするためには、ビームスキャン速度v0とウエハメカニカルスキャン速度V0の積、v0×V0を一定にすればよいのであって、v0を単独で一定にする必要は無い。

従って、図７に示したように、ビームスキャン方向の基準速度をBv0（太い実線）からBv1（細い実線）に変更し、その分、ウエハメカニカルスキャン速度をV0からV1に変更することで、それらの積、すなわち図６ではv0(Bv0のビームスキャン速度)×V0、図７ではv1(Bv1のビームスキャン速度)×V1を一定（v0×V0=v1×V1）にすることができる。このことにより、図７のウエハの中央部以外において、図６と同一のイオン注入量強度を得られることになる。

ここで、図７のv1(Bv1のビームスキャン速度)を適切に選ぶと、ビームスキャン１周期当たりの時間t0を変更することなく、ビームスキャン１周期当たりの時間の軸とビームスキャン速度の軸で形成される平面内の面積として表されるビームスキャン振幅を固定することができる。すなわち、ビームスキャン周波数とビームスキャン振幅を共に固定しながら、目的のイオン注入量分布とイオン注入量を実現できることになる。

本発明の概略的説明は以上の通りであるが、ここで、図８を用いて、さらに詳しく本発明の詳細を述べる。

図８では、ウエハメカニカルスキャン位置L1およびL2でビームスキャン速度を変更した場合の、ビームスキャン１周期当たりの時間とビームスキャン振幅の関係を示している。ここでは位置L0,L1およびL2での３領域の速度パターンPv0,Pv1,Pv2を示しているが、領域数がさらに増えても以下の議論は同様である。

図８の中間位置L1の領域では、ウエハの中央領域でビームスキャン速度が速くなるように速度パターンPv1にて制御し、図８の後ろ側の位置L2の領域では、ウエハの中央領域でビームスキャン速度が遅くなるように速度パターンPv2にて制御していることを示している。また、ウエハの中央領域以外では、同一のイオン注入量のイオン注入を実施する場合を示している。勿論、以下の説明で、ビームスキャン速度の速度パターンがこれに限らないことは言うまでもない。

図８では、ビームスキャン周波数とビームスキャン振幅を共に固定しながら、すなわち図８内のt0とS0の値を常に一定にしながら、ウエハメカニカルスキャン位置L1およびL2でビームスキャン速度を変更している。具体的には、ビームスキャン速度を変更すべき位置をＲＡＭ１３にて記憶しておき、メカニカルスキャン装置１１によってメカニカルスキャンされたウエハ１０がその位置に来たときに、別にＲＡＭ１３に記憶されていたビームスキャン速度の速度パターンに基づき、ＣＰＵ１２がビームスキャン速度とウエハメカニカルスキャン速度を制御する。ＲＡＭ１３に記憶されるビームスキャン速度の速度パターンは注入領域ごとにあらかじめ算出されて、記憶されていることは言うまでも無い。

図８の場合、図面の手前側の位置L1の領域、図面の後ろ側の位置L2の領域ではそれぞれ、同一イオン注入量のイオン注入を実施する場合、基準速度をBv0からBv1、Bv0からBv2に変更している。これは、ビームスキャン振幅を固定するためであって、その変更手法は、ＲＡＭ１３に、注入領域ごとに個別に記憶されていたビームスキャン速度の速度パターンを保ちながら、ビームスキャン振幅を固定するように基準速度に比例定数を乗算して底上げ（あるいは底下げ）（二点鎖線から破線あるいは二点鎖線から実線へ）することによって実現される。

また、図８には示していないが、基準速度の変更に伴い、ウエハメカニカルスキャン速度が、ビームスキャンの基準速度とウエハメカニカルスキャン速度の積が速度パターンごとにそれぞれ一定になるように変更されている。この変更は、ドーズカップ８を用いて一定数のビームスキャン周期分に相当するイオンビーム電流の積分値を測定し、測定したイオンビーム電流の積分値に対応して、メカニカルスキャン装置１１を用いてウエハメカニカルスキャン速度を制御することによって実現される。

このような変更切替えを、分割された注入領域毎に繰り返すことによって、イオンビームを往復ビームスキャンし、ビームスキャン方向に直交する方向にウエハをメカニカルにスキャンして、イオンをウエハに打ち込む装置において、他の半導体製造工程のウエハ面内不均一性を補正する目的で、ウエハをメカニカルスキャン方向において複数の注入領域に分け、各注入領域ごとにビームスキャン速度を可変設定可能に構成し、それによってウエハ内のイオン注入量を制御する場合に、ビームスキャン周波数とビームスキャン振幅を共に固定しながら、注入領域ごとに目的のイオン注入量分布とイオン注入量とを実現することができる。

以下に、本発明により、実際に具体的な課題が解決された一例を示す。

図９を参照して、本発明により実際に得られたイオン注入量面内分布の一例を示す。この例では、同心円形状の意図的に不均一な２次元イオン注入量分布が得られている。

図１０を参照して、本発明により実際に得られたイオン注入量面内分布の他の例を示す。この例では、複数個のウエハ面内特定位置に対して、部分的にイオン注入量を増減させる、意図的に不均一な２次元イオン注入量分布が得られている。

図９、図１０は例示であって、本発明を限定するものではない。本発明によれば、例えば、同心リング形状の意図的に不均一な２次元イオン注入量分布を得ることもできるし、その他種々の形状の意図的に不均一な２次元イオン注入量分布を得ることができる。

このように、本発明によって、種々の意図的に不均一な２次元イオン注入量分布が得られる理由は、ウエハ内のビームスキャン速度の速度パターンを保ちながら、その基準速度に比例定数を乗算し、ビームスキャン振幅の固定化を行い、それに合わせて一定数のビームスキャン周期分に相当するイオンビーム電流の積分値を測定し、測定したイオンビーム電流の積分値に対応して、ウエハメカニカルスキャン速度を制御し、そのことによって通常発生する、それぞれの注入領域ごとにビームスキャン周波数とビームスキャン振幅を一定にすることと、注入領域を通してのイオン注入量パターンとイオン注入量絶対値との間の矛盾を解消したことに求められる。

以上、本発明により、イオンビームを往復ビームスキャンし、ビームスキャン方向に直交する方向にウエハをメカニカルにスキャンして、ウエハにイオンを打ち込む装置において、他の半導体製造工程のウエハ面内不均一性を補正する目的で、ウエハをメカニカルスキャン方向において複数の注入領域に分け、各注入領域ごとにビームスキャン方向のスキャン速度を可変設定可能にし、それによってウエハ内のイオン注入量を制御する場合に、ビームスキャン周波数とビームスキャン振幅を共に固定しながら、注入領域ごとに目的のイオン注入量分布とイオン注入量とを実現することができる。

ここまで、幾つかの例示的実施形態を説明してきたが、上記説明は、単なる例であって、本発明の限定を意図するものではない。

１ イオン源
２ 引出電極
３ 質量分析磁石装置
４ 質量分析スリット
５ ビームスキャナー
６ パラレルレンズ
７ 角度エネルギーフィルタ
８ ドーズカップ
９ ウエハ領域ビーム測定装置
１０ ウエハ
１１ メカニカルスキャン装置

Claims (15)

1. イオンビームを往復ビームスキャンし、ビームスキャン方向に直交する方向にウエハをメカニカルにスキャンして、ウエハにイオン注入するイオン注入方法において、
   ウエハメカニカルスキャン方向においてウエハ面内の注入領域を複数に分割して、各注入領域ごとに、ビームスキャン方向のビームスキャン速度を可変設定可能にするよう構成し、各注入領域ごとのイオン注入量分布に対応するビームスキャン速度の可変設定により算出した速度パターンに基づいてビームスキャン速度を変更制御することにより、各注入領域のイオン注入量分布を制御し、各注入領域に対応させてウエハメカニカルスキャン速度を設定して各注入領域ごとに制御することにより、各注入領域のイオン注入量を制御すると共に、各注入領域ごとのビームスキャン速度の制御におけるビームスキャン周波数とビームスキャン振幅を一定とするよう構成したことを特徴とするイオン注入方法。
2. 請求項１に記載のイオン注入方法において、各注入領域ごとのビームスキャン方向のイオン注入量分布とイオン注入量とを各々設定したウエハに対して、複数の注入領域に連続してイオン注入を行うよう構成したことを特徴とするイオン注入方法。
3. 請求項１に記載のイオン注入方法において、各注入領域は、ウエハのメカニカルスキャン方向において均等な間隔となるように構成したことを特徴とするイオン注入方法。
4. 請求項１に記載のイオン注入方法において、各注入領域は、ウエハのメカニカルスキャン方向において任意に設定した間隔となるように構成したことを特徴とするイオン注入方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のイオン注入方法において、前記ビームスキャン速度の速度パターンを各注入領域ごとに各イオン注入量分布に対応して個別に設定することを特徴とするイオン注入方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のイオン注入方法において、各注入領域ごとにビーム測定装置により、一定数のビームスキャン周期分に相当するイオンビーム電流の積分値を測定し、測定したイオンビーム電流の積分値に応じてウエハメカニカルスキャン速度を制御することを特徴とするイオン注入方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のイオン注入方法において、各注入領域ごとのビームスキャン速度の変更に伴い、ウエハメカニカルスキャン速度が、ビームスキャン速度とウエハメカニカルスキャン速度の積が各速度パターンごとにそれぞれ一定になるように変更されることを特徴とするイオン注入方法。
8. 請求項１に記載のイオン注入方法において、一定のイオン注入量でイオン注入を行う場合のビームスキャン速度を基準速度とし、ビームスキャン速度の速度パターンを保ちながら、前記基準速度に比例定数を乗算して、各注入領域ごとに基準速度を変更し、ビームスキャン振幅及びビームスキャン周波数を一定化することを特徴とするイオン注入方法。
9. 請求項１に記載のイオン注入方法において、目的のイオン注入量分布が、同心円形状の任意の不均一な２次元イオン注入量分布であることを特徴とするイオン注入方法。
10. 請求項１に記載のイオン注入方法において、目的のイオン注入量分布が、同心リング形状の任意の不均一な２次元イオン注入量分布であることを特徴とするイオン注入方法。
11. 請求項１に記載のイオン注入方法において、目的のイオン注入量分布が、複数個のウエハ面内特定位置に対して、部分的にイオン注入量を増減させる任意の不均一な２次元イオン注入量分布であることを特徴とするイオン注入方法。
12. イオンビームを往復ビームスキャンし、ビームスキャン方向にほぼ直交する方向にウエハをメカニカルにスキャンして、ウエハにイオン注入するイオン注入装置において、
    他の半導体製造工程のウエハ面内不均一性を補正する目的で、ウエハをメカニカルスキャン方向において複数の注入領域に分け、その注入領域ごとにビームスキャン方向のビームスキャン速度を可変設定可能に構成し、それによってウエハ内のイオン注入量を制御する場合に、ビームスキャン周波数とビームスキャン振幅を共に固定しながら、各注入領域に所望のイオン注入量分布とイオン注入量を実現する制御装置を備え、
    前記制御装置は、各注入領域ごとのイオン注入量分布に対応するビームスキャン速度の可変設定により算出した速度パターンに基づいてビームスキャン速度を変更制御することにより、各注入領域のイオン注入量分布を制御し、各注入領域に対応させてウエハメカニカルスキャン速度を設定して各注入領域ごとに制御することにより、各注入領域のイオン注入量を制御すると共に、各注入領域ごとのビームスキャン速度の制御におけるビームスキャン周波数とビームスキャン振幅を一定とすることを特徴とするイオン注入装置。
13. 請求項１２に記載のイオン注入装置において、ビーム測定装置を更に備え、該ビーム測定装置は、各注入領域ごとに一定数のビームスキャン周期分に相当するイオンビーム電流の積分値を測定し、
    前記制御装置は、測定したイオンビーム電流の積分値に応じて、各注入領域ごとにウエハメカニカルスキャン速度を制御することを特徴とするイオン注入装置。
14. 請求項１２又は１３に記載のイオン注入装置において、前記制御装置は、各注入領域ごとのビームスキャン速度の変更に伴い、ウエハメカニカルスキャン速度を、ビームスキャン速度とウエハメカニカルスキャン速度の積が各速度パターンごとにそれぞれ一定になるように変更することを特徴とするイオン注入装置。
15. 請求項１２に記載のイオン注入装置において、一定のイオン注入量でイオン注入を行う場合のビームスキャン速度が基準速度とされ、前記制御装置は、ビームスキャン速度の速度パターンを保ちながら、前記基準速度に比例定数を乗算して、各注入領域ごとに基準速度を変更し、ビームスキャン振幅及びビームスキャン周波数を一定化することを特徴とするイオン注入装置。