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JP6925729B2 - Manufacturing method of semiconductor devices - Google Patents

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JP6925729B2 JP2017159488A JP2017159488A JP6925729B2 JP 6925729 B2 JP6925729 B2 JP 6925729B2 JP 2017159488 A JP2017159488 A JP 2017159488A JP 2017159488 A JP2017159488 A JP 2017159488A JP 6925729 B2 JP6925729 B2 JP 6925729B2
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Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.

半導体集積回路等の半導体装置の製造工程において、性能向上を目的として半導体基板に水素やヘリウムなどの軽イオンを照射して欠陥領域を形成することがある。イオン照射により半導体基板内に格子欠陥を形成すると、その欠陥を介して電子と正孔が再結合して消滅するため、例えば半導体装置内のダイオードの局所的なライフタイム特性の制御ができる。また、半導体基板の深さ方向に異なる位置に欠陥領域ないし高抵抗領域を形成するため、加速エネルギーを変えながらイオン照射を複数回行う手法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In the manufacturing process of semiconductor devices such as semiconductor integrated circuits, a semiconductor substrate may be irradiated with light ions such as hydrogen or helium to form a defective region for the purpose of improving performance. When a lattice defect is formed in a semiconductor substrate by ion irradiation, electrons and holes recombine and disappear through the defect, so that the local lifetime characteristics of a diode in a semiconductor device can be controlled, for example. Further, in order to form a defect region or a high resistance region at different positions in the depth direction of the semiconductor substrate, a method of performing ion irradiation a plurality of times while changing the acceleration energy has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

特開2015−119039号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-119039

上記文献の方法に基づいて、深さ方向に異なる位置に欠陥領域を形成する場合、照射工程の途中で加速エネルギーを変更する必要が生じる。ビーム源のエネルギーを調整する場合、ビーム源の運転条件を変更した上で、変更後の運転条件下でビーム源の動作を安定化させるまでの待ち時間が生じる。ビーム源からの出力エネルギーを一定にしたまま、下流側のエネルギー減速板を交換することでエネルギー調整する場合、減速板が配置されるチャンバ内の真空を解除し、減速板を交換し、再度真空引きする必要があり、減速板の交換に伴う待ち時間が生じる。イオン照射工程の生産性の観点から、エネルギー変更に必要な待ち時間が削減されることが好ましい。 When the defect regions are formed at different positions in the depth direction based on the method of the above document, it becomes necessary to change the acceleration energy in the middle of the irradiation step. When adjusting the energy of the beam source, after changing the operating conditions of the beam source, there is a waiting time until the operation of the beam source is stabilized under the changed operating conditions. When adjusting the energy by replacing the energy reduction plate on the downstream side while keeping the output energy from the beam source constant, release the vacuum in the chamber where the reduction plate is placed, replace the reduction plate, and vacuum again. It is necessary to pull it, and there is a waiting time due to the replacement of the reduction plate. From the viewpoint of productivity of the ion irradiation process, it is preferable to reduce the waiting time required for energy change.

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、半導体基板の深さ方向に異なる位置に欠陥領域を形成する工程の生産性を向上させることにある。 One of the exemplary objects of an aspect of the present invention is to improve the productivity of the process of forming defect regions at different positions in the depth direction of the semiconductor substrate.

本発明のある態様の半導体装置の製造方法は、半導体基板に向けてマスク越しにイオンビームを照射することを備える半導体装置の製造方法であって、マスクは、入射するイオンビームを第1エネルギーに減速させる第1領域と、第1エネルギーより小さい第2エネルギーに減速させる第2領域とを有し、第1領域および第2領域が少なくとも一方向に交互に配列され、イオンビームの入射方向から見たときの第1領域および第2領域の配列方向の幅がそれぞれ500μm以下である。 The method for manufacturing a semiconductor device according to an aspect of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device including irradiating a semiconductor substrate with an ion beam through a mask, wherein the mask uses an incident ion beam as the first energy. It has a first region for deceleration and a second region for decelerating to a second energy smaller than the first energy. The first region and the second region are alternately arranged in at least one direction, and are viewed from the incident direction of the ion beam. The widths of the first region and the second region in the arrangement direction at the time are 500 μm or less, respectively.

なお、以上の構成要素の任意の組み合わ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。 It should be noted that any combination of the above components or components and expressions of the present invention that are mutually replaced between methods, devices, systems, and the like are also effective as aspects of the present invention.

本発明によれば、1回のイオンビーム照射で半導体基板の深さ方向に異なる位置に欠陥領域を形成できる。 According to the present invention, defect regions can be formed at different positions in the depth direction of the semiconductor substrate by one ion beam irradiation.

実施の形態に係るイオン照射装置の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the ion irradiation apparatus which concerns on embodiment. 実施の形態に係る半導体装置の製造方法を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態に係るマスクの構成を模式的に示す上面図である。It is a top view which shows typically the structure of the mask which concerns on embodiment. マスクの第1領域を通過するビームを模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the beam passing through the 1st region of a mask. マスクの第2領域を通過するビームを模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the beam passing through the 2nd region of a mask. イオンビームの照射深さとビーム拡散幅の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the irradiation depth of an ion beam and the beam diffusion width. 実施の形態に係るイオン照射工程における深さ方向のイオン照射量分布を示すグラフである。It is a graph which shows the ion irradiation amount distribution in the depth direction in the ion irradiation step which concerns on embodiment. 変形例に係るマスクの構成を模式的に示す上面図である。It is a top view which shows typically the structure of the mask which concerns on the modification. 変形例に係るマスクの構成を模式的に示す上面図である。It is a top view which shows typically the structure of the mask which concerns on the modification. 変形例に係る半導体装置の製造方法を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the modification. 変形例に係る第1イオン照射工程を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the 1st ion irradiation process which concerns on a modification. 変形例に係る第2イオン照射工程を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the 2nd ion irradiation process which concerns on a modification.

本発明を具体的に説明する前に、概要を述べる。本実施の形態は、半導体基板に向けてイオンビームを照射し、半導体基板内に欠陥領域を形成する工程を含む半導体装置の製造方法である。イオンビームは、マスクを介して半導体基板に照射される。マスクは、入射するイオンビームを第1エネルギーに減速させる第1領域と、第1エネルギーより小さい第2エネルギーに減速させる第2領域とを有し、第1領域および第2領域が少なくとも一方向に交互に配列される。第1エネルギーに減速されたビームは、第1深さ位置に第1欠陥領域を形成し、第2エネルギーに減速されたビームは、第1深さよりも浅い第2深さに第2欠陥領域を形成する。 Before concretely explaining the present invention, an outline will be described. The present embodiment is a method for manufacturing a semiconductor device, which includes a step of irradiating a semiconductor substrate with an ion beam to form a defect region in the semiconductor substrate. The ion beam irradiates the semiconductor substrate through the mask. The mask has a first region for decelerating the incident ion beam to the first energy and a second region for decelerating the incident ion beam to a second energy smaller than the first energy, and the first region and the second region are in at least one direction. They are arranged alternately. The beam decelerated to the first energy forms the first defect region at the first depth position, and the beam decelerated to the second energy forms the second defect region at the second depth shallower than the first depth. Form.

本実施の形態では、イオンビームの入射方向から見たときの第1領域および第2領域の配列方向の幅が100μm以下になるようにマスクが構成される。これにより、第1欠陥領域および第2欠陥領域のそれぞれを深さ方向と直交する水平方向に連続的に形成することができる。したがって、本実施の形態では、1回の照射により異なる深さ位置のそれぞれに連続的な欠陥領域を同時形成でき、複数回照射をする場合と比べてイオン照射工程の生産性を向上させることができる。 In the present embodiment, the mask is configured so that the width of the first region and the second region in the arrangement direction when viewed from the incident direction of the ion beam is 100 μm or less. As a result, each of the first defect region and the second defect region can be continuously formed in the horizontal direction orthogonal to the depth direction. Therefore, in the present embodiment, continuous defect regions can be simultaneously formed at different depth positions by one irradiation, and the productivity of the ion irradiation step can be improved as compared with the case of irradiating a plurality of times. can.

以下、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、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。また、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、以下の説明において参照する各断面図において、半導体基板やその他の層の厚みや大きさは説明の便宜上のものであり、必ずしも実際の寸法や比率を示すものではない。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail. The configuration described below is an example and does not limit the scope of the present invention. Further, in the description of the drawings, the same elements are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted as appropriate. Further, in each cross-sectional view referred to in the following description, the thickness and size of the semiconductor substrate and other layers are for convenience of explanation and do not necessarily indicate actual dimensions and ratios.

図1は、実施の形態に係るイオン照射装置50の構成を模式的に示す図である。イオン照射装置50は、ビーム生成装置52と、ビーム輸送装置54と、照射処理室56とを備える。ビーム生成装置52は、サイクロトロン方式やバンデグラフ方式の加速器を備えており、例えば、1MeV〜100MeV程度の加速エネルギーを有するイオンビームBを生成する。ビーム輸送装置54は、ビーム生成装置52で生成されたイオンビームBを照射処理室56に輸送する。 FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of the ion irradiation device 50 according to the embodiment. The ion irradiation device 50 includes a beam generation device 52, a beam transport device 54, and an irradiation processing chamber 56. The beam generator 52 includes a cyclotron type or Van de Graaff type accelerator, and generates, for example, an ion beam B having an acceleration energy of about 1 MeV to 100 MeV. The beam transport device 54 transports the ion beam B generated by the beam generator 52 to the irradiation processing chamber 56.

ビーム輸送装置54には、偏向装置60、ビームスリット62、アブソーバ64が設けられる。偏向装置60は、ビーム生成装置52からのイオンビームBを電界式または磁界式でスキャンし、半導体基板12の全体がイオンビームBにより順次走査されるようにする。スキャンされたビームBは、ビームスリット62およびアブソーバ64を通過する。アブソーバ64は、アルミニウム(Al)等の材料で構成されるエネルギー減速板であり、アブソーバ64を通過するイオンビームBを減速させて所望のエネルギーを有するように調整する。 The beam transport device 54 is provided with a deflection device 60, a beam slit 62, and an absorber 64. The deflection device 60 scans the ion beam B from the beam generation device 52 by an electric field type or a magnetic field type so that the entire semiconductor substrate 12 is sequentially scanned by the ion beam B. The scanned beam B passes through the beam slit 62 and the absorber 64. The absorber 64 is an energy reduction plate made of a material such as aluminum (Al), and the ion beam B passing through the absorber 64 is decelerated and adjusted to have a desired energy.

照射処理室56には、照射対象となる半導体基板12およびマスク20を保持するウェハ保持装置66が設けられる。マスク20は、半導体基板12よりもイオンビームBの進行方向の手前側に配置される。したがって、スキャンされたビームBは、マスク20越しに半導体基板12に入射する。マスク20は、入射するイオンビームBを減速させ、半導体基板12に入射するビームのエネルギーを調整する。イオンビームBの照射により、半導体基板12の内部には欠陥領域が形成される。 The irradiation processing chamber 56 is provided with a wafer holding device 66 that holds the semiconductor substrate 12 and the mask 20 to be irradiated. The mask 20 is arranged closer to the front side of the ion beam B in the traveling direction than the semiconductor substrate 12. Therefore, the scanned beam B is incident on the semiconductor substrate 12 through the mask 20. The mask 20 decelerates the incident ion beam B and adjusts the energy of the beam incident on the semiconductor substrate 12. By irradiating the ion beam B, a defect region is formed inside the semiconductor substrate 12.

欠陥領域を形成するためのイオンビームBとして、水素(H)やヘリウム(He,He)などの原子番号数が小さい元素である軽イオンが用いられる。マスク20に入射するイオンビームBのエネルギーは特に限られないが、例えば0.1MeV〜100MeV程度であり、典型的には1MeV〜30MeV程度である。 As the ion beam B for forming the defect region, light ions such as hydrogen (H) and helium (3 He, 4 He), which are elements having a small atomic number, are used. The energy of the ion beam B incident on the mask 20 is not particularly limited, but is, for example, about 0.1 MeV to 100 MeV, and typically about 1 MeV to 30 MeV.

図2は、実施の形態に係る半導体装置10の製造方法を模式的に示す断面図であり、図1の半導体基板12およびマスク20の構成を詳細に示す。半導体装置10は、半導体基板12を用いて形成される半導体集積回路であり、例えば、システムLSIやIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)等のパワー半導体装置である。半導体装置10は、素子領域14と、第1欠陥領域16と、第2欠陥領域18とを備える。素子領域14は、トランジスタやダイオードといった素子が形成される領域であり、半導体基板12の第1主面12aに設けられる。第1欠陥領域16および第2欠陥領域18は、半導体基板12の第1主面12aから離れた位置に設けられ、半導体基板12の深さ方向(z方向)に異なる位置に形成される。 FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a manufacturing method of the semiconductor device 10 according to the embodiment, and shows in detail the configurations of the semiconductor substrate 12 and the mask 20 of FIG. The semiconductor device 10 is a semiconductor integrated circuit formed by using the semiconductor substrate 12, and is, for example, a power semiconductor device such as a system LSI or an IGBT (insulated gate bipolar transistor). The semiconductor device 10 includes an element region 14, a first defect region 16, and a second defect region 18. The element region 14 is a region in which an element such as a transistor or a diode is formed, and is provided on the first main surface 12a of the semiconductor substrate 12. The first defect region 16 and the second defect region 18 are provided at positions separated from the first main surface 12a of the semiconductor substrate 12, and are formed at different positions in the depth direction (z direction) of the semiconductor substrate 12.

図2の例では、半導体基板12の第1主面12aとは反対側の第2主面12bからビーム照射され、第1欠陥領域16および第2欠陥領域18が形成される。ビーム照射により、第1欠陥領域16が第2主面12bから第1深さd1の位置に形成され、第2欠陥領域18が第2主面12bから第2深さd2の位置に形成される。なお、素子領域14が設けられる第1主面12aからビーム照射をして欠陥領域を形成することも可能である。 In the example of FIG. 2, the beam is irradiated from the second main surface 12b on the side opposite to the first main surface 12a of the semiconductor substrate 12, and the first defect region 16 and the second defect region 18 are formed. By beam irradiation, the first defect region 16 is formed from the second main surface 12b to the position of the first depth d1, and the second defect region 18 is formed from the second main surface 12b to the position of the second depth d2. .. It is also possible to form a defect region by irradiating a beam from the first main surface 12a on which the element region 14 is provided.

マスク20は、入射するイオンビームBを第1エネルギーE1に減速させる第1領域31と、第1エネルギーE1より小さい第2エネルギーE2に減速させる第2領域32とを有する。第1領域31を通過したビームは、第1エネルギーE1を有する第1ビームB1としてマスク20から出射され、半導体基板12に入射する。一方、第2領域32を通過したビームは、第2エネルギーE2を有する第2ビームB2としてマスク20から出射され、半導体基板12に入射する。 The mask 20 has a first region 31 that decelerates the incident ion beam B to the first energy E1, and a second region 32 that decelerates the incident ion beam B to a second energy E2 that is smaller than the first energy E1. The beam that has passed through the first region 31 is emitted from the mask 20 as the first beam B1 having the first energy E1 and is incident on the semiconductor substrate 12. On the other hand, the beam that has passed through the second region 32 is emitted from the mask 20 as the second beam B2 having the second energy E2 and is incident on the semiconductor substrate 12.

マスク20は、ベース層22と、パターン層24とを有する。ベース層22は、イオンビームBの入射範囲の全体にわたって設けられ、上述の第1領域31および第2領域32の双方にわたって設けられる。パターン層24は、第2領域32に選択的に設けられ、第1領域31には設けられない。したがって、第1領域31にはパターン層24の開口26が形成されており、ベース層22の上面が露出している。開口26の側壁は、イオンビームBの入射方向(z方向)に沿うように垂直に形成されることが好ましい。 The mask 20 has a base layer 22 and a pattern layer 24. The base layer 22 is provided over the entire incident range of the ion beam B, and is provided over both the first region 31 and the second region 32 described above. The pattern layer 24 is selectively provided in the second region 32 and is not provided in the first region 31. Therefore, the opening 26 of the pattern layer 24 is formed in the first region 31, and the upper surface of the base layer 22 is exposed. The side wall of the opening 26 is preferably formed vertically along the incident direction (z direction) of the ion beam B.

図3は、実施の形態に係るマスク20の構成を模式的に示す上面図である。図2は、図3のA−A線断面に相当する。マスク20は、第1領域31と第2領域32が所定方向(x方向)に交互に配列されるように構成される。図示する例では、y方向に延在する短冊状ないし矩形状の開口26が第1領域31に設けられる。第1領域31および第2領域32の配列方向(x方向)の幅W1,W2は、それぞれが100μm以下となるように構成され、例えば、70μm以下または30μm以下となるように構成される。第1領域31および第2領域32の配列方向の幅W1,W2の好ましい寸法については、別途後述する。 FIG. 3 is a top view schematically showing the configuration of the mask 20 according to the embodiment. FIG. 2 corresponds to the cross section taken along line AA of FIG. The mask 20 is configured such that the first region 31 and the second region 32 are alternately arranged in a predetermined direction (x direction). In the illustrated example, a strip-shaped or rectangular opening 26 extending in the y direction is provided in the first region 31. The widths W1 and W2 of the first region 31 and the second region 32 in the arrangement direction (x direction) are configured to be 100 μm or less, respectively, and are configured to be, for example, 70 μm or less or 30 μm or less. The preferable dimensions of the widths W1 and W2 in the arrangement direction of the first region 31 and the second region 32 will be described later.

図2に戻り、マスク20の第1領域31に入射するビームB1は、ベース層22を通過して半導体基板12に到達する。一方、マスク20の第2領域32に入射するビームは、ベース層22およびパターン層24を通過して半導体基板12に到達する。第2領域32から出射する第2ビームB2は、パターン層24を通過する分だけ第1領域31から出射する第1ビームB1より大きく減速され、その結果、第1ビームB1よりも低いエネルギーを有する。 Returning to FIG. 2, the beam B1 incident on the first region 31 of the mask 20 passes through the base layer 22 and reaches the semiconductor substrate 12. On the other hand, the beam incident on the second region 32 of the mask 20 passes through the base layer 22 and the pattern layer 24 and reaches the semiconductor substrate 12. The second beam B2 emitted from the second region 32 is decelerated more than the first beam B1 emitted from the first region 31 by the amount of passing through the pattern layer 24, and as a result, has lower energy than the first beam B1. ..

相対的に高エネルギーの第1ビームB1は、第2主面12bから相対的に深い位置d1まで到達し、第1深さ位置d1を中心とした深さ方向の所定範囲に第1欠陥領域16を形成する。一方、相対的に低エネルギーの第2ビームB2は、第2主面12bから相対的に浅い位置d2まで到達し、第2深さ位置d2を中心とした深さ方向の所定範囲に第2欠陥領域18を形成する。第1欠陥領域16および第2欠陥領域18が形成される深さ位置d1,d2は、照射されるビームB1,B2のイオン種やエネルギーの値により決まる。 The relatively high-energy first beam B1 reaches a relatively deep position d1 from the second main surface 12b, and the first defect region 16 reaches a predetermined range in the depth direction centered on the first depth position d1. To form. On the other hand, the relatively low-energy second beam B2 reaches a relatively shallow position d2 from the second main surface 12b, and has a second defect in a predetermined range in the depth direction centered on the second depth position d2. Region 18 is formed. The depth positions d1 and d2 where the first defect region 16 and the second defect region 18 are formed are determined by the ion species and energy values of the irradiated beams B1 and B2.

第1ビームB1および第2ビームB2のエネルギーE1,E2は、ベース層22およびパターン層24の厚さt1,t2や材料を適切に選択することにより調整可能である。したがって、マスク20の構成を適切に設計することで第1欠陥領域16および第2欠陥領域18の深さ位置d1,d2を調整できる。具体的には、マスクの厚さt、欠陥領域の深さ位置d、マスク20に入射する特定のエネルギーE0を有するビームの半導体基板12の材料のイオン飛程Rs、マスク20の材料のイオン飛程Rmを用いて、t=Rm−(Rm/Rs)dと記述できる。ベース層22およびパターン層24の材料が同じであれば、t1=Rm−(Rm/Rs)d1、t2=(Rm/Rs)(d1−d2)と記述できる。 The energies E1 and E2 of the first beam B1 and the second beam B2 can be adjusted by appropriately selecting the thicknesses t1 and t2 of the base layer 22 and the pattern layer 24 and the material. Therefore, the depth positions d1 and d2 of the first defect region 16 and the second defect region 18 can be adjusted by appropriately designing the configuration of the mask 20. Specifically, the thickness t of the mask, the depth position d of the defect region, the ion range Rs of the material of the semiconductor substrate 12 of the beam having a specific energy E0 incident on the mask 20, and the ion range of the material of the mask 20. Using Rm, it can be described as t = Rm- (Rm / Rs) d. If the materials of the base layer 22 and the pattern layer 24 are the same, it can be described as t1 = Rm- (Rm / Rs) d1 and t2 = (Rm / Rs) (d1-d2).

マスク20の材料として、金属材料や樹脂材料を用いることができる。なお、マスク20を構成する元素は、イオンビームBの照射により半導体基板12に向けて弾き出され、半導体基板12に注入されるおそれがあるため、半導体装置10の性能に影響を与えにくい材料でマスク20が構成されることが好ましい。半導体基板12がシリコン(Si)であれば、マスク20の材料として、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、チタン(Ti)等の金属材料を用いることができる。マスク20として、ポリイミドなどの樹脂材料を用いることもできる。 As the material of the mask 20, a metal material or a resin material can be used. The elements constituting the mask 20 may be ejected toward the semiconductor substrate 12 by irradiation with the ion beam B and injected into the semiconductor substrate 12, so the mask is made of a material that does not easily affect the performance of the semiconductor device 10. 20 is preferably configured. If the semiconductor substrate 12 is silicon (Si), a metal material such as aluminum (Al), silicon (Si), or titanium (Ti) can be used as the material for the mask 20. A resin material such as polyimide can also be used as the mask 20.

マスク20の材料および厚さの一例を挙げると、ベース層22およびパターン層24の材料がアルミニウム(Al)であり、ベース層22の厚さt1=288μm、パターン層24の厚さt2=125μmである。このマスク20越しにシリコン(Si)の半導体基板12に7.9MeVの水素(H)イオンを入射させると、d1=150μmの位置に第1欠陥領域16が形成され、d2=10μmの位置に第2欠陥領域18が形成される。これらの数値は、7.9MeVの水素(H)イオンにおけるSiのイオン飛程Rs=473μm、および、Alのイオン飛程Rm=422μmを用いて算出できる。 To give an example of the material and thickness of the mask 20, the material of the base layer 22 and the pattern layer 24 is aluminum (Al), and the thickness of the base layer 22 is t1 = 288 μm and the thickness of the pattern layer 24 is t2 = 125 μm. be. When 7.9 MeV hydrogen (H + ) ions are incident on the silicon (Si) semiconductor substrate 12 through the mask 20, the first defect region 16 is formed at the position of d1 = 150 μm, and the first defect region 16 is formed at the position of d2 = 10 μm. A second defect region 18 is formed. These values can be calculated using the ion range Rs = 473 μm of Si and the ion range Rm = 422 μm of Al in hydrogen (H +) ions of 7.9 MeV.

ベース層22およびパターン層24は、互いに異なる材料で構成されてもよい。例えば、パターン層24の材料として、ベース層22の材料よりもイオン飛程の小さい材料、つまり、比重の大きい材料を用いてもよい。例えば、Alより比重の大きい材料を用いることにより、パターン層24の厚さt2をより小さくでき、典型的には100μm以下にできる。このような材料として、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、クロム(Cr)またはこれらを含む合金(例えば、ステンレスや42アロイ)を用いることができる。パターン層24の材料として、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)などを用いてもよい。 The base layer 22 and the pattern layer 24 may be made of different materials. For example, as the material of the pattern layer 24, a material having a smaller ion range than the material of the base layer 22, that is, a material having a large specific density may be used. For example, by using a material having a specific density higher than that of Al, the thickness t2 of the pattern layer 24 can be made smaller, and typically 100 μm or less. As such a material, iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), chromium (Cr) or an alloy containing these (for example, stainless steel or 42 alloy) can be used. As the material of the pattern layer 24, gold (Au), silver (Ag), copper (Cu) or the like may be used.

なお、Fe,Ni,Co,Cr,Au,Ag,Cu等の高比重材料は、半導体基板12に注入されると半導体装置10の性能に影響を与えるおそれがある。しかしながら、図2に示すように、入射するイオンビームBの入射方向に対してパターン層24が上流側、ベース層22が下流側となる向きでマスク20を配置することにより、パターン層24から弾き出される元素をベース層22で遮蔽できる。したがって、パターン層24に高比重の材料を用いる場合であっても、ベース層22およびパターン層24の二層構造のマスク20とすることにより半導体基板12への高比重材料の注入を好適に防止できる。例えば、23MeVのヘリウム(He2+)イオンの場合、少なくともベース層22の厚さを5μm以上、好適には10μm以上とすることにより、パターン層24を構成する元素をベース層22で好適に遮蔽できる。 When a high-density material such as Fe, Ni, Co, Cr, Au, Ag, or Cu is injected into the semiconductor substrate 12, the performance of the semiconductor device 10 may be affected. However, as shown in FIG. 2, by arranging the mask 20 in a direction in which the pattern layer 24 is on the upstream side and the base layer 22 is on the downstream side with respect to the incident direction of the incident ion beam B, the mask 20 is ejected from the pattern layer 24. The element can be shielded by the base layer 22. Therefore, even when a material having a high specific density is used for the pattern layer 24, the injection of the high specific density material into the semiconductor substrate 12 is suitably prevented by using the mask 20 having a two-layer structure of the base layer 22 and the pattern layer 24. can. For example, in the case of 23 MeV helium ( 3 He 2+ ) ions, the base layer 22 preferably shields the elements constituting the pattern layer 24 by making the thickness of the base layer 22 at least 5 μm or more, preferably 10 μm or more. can.

つづいて、マスク20の第1領域31および第2領域32の配列方向の幅W1,W2について説明する。図4は、マスク20の第1領域31を通過するビームを模式的に示す断面図であり、第2領域32を挟んで隣り合う二つの第1領域31a,31bを通過するビームを示す。マスク20の第1領域31から出射する第1ビームB1は、半導体基板12の第2主面12bから第1深さd1の位置まで到達する。第1ビームB1は、マスク20の第1領域31を通過する過程でマスク20を構成する原子と衝突して散乱される。マスク20を通過した第1ビームB1は、半導体基板12の第1深さd1の位置まで直進する。このような過程で第1ビームB1にはビーム拡がりが生じ、第1深さd1の位置において所定のビーム拡散幅(第1ビーム拡散幅ともいう)s1を有する。その結果、マスク20のパターン配列方向(x方向)の第1ビームB1のビーム幅は、マスク20の通過前において第1領域31の幅W1と同程度であるのに対し、第1深さd1の位置では、第1ビーム拡散幅s1を加味したW1+2×s1となる。 Next, the widths W1 and W2 in the arrangement direction of the first region 31 and the second region 32 of the mask 20 will be described. FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a beam passing through the first region 31 of the mask 20, and shows a beam passing through two first regions 31a and 31b adjacent to each other with the second region 32 in between. The first beam B1 emitted from the first region 31 of the mask 20 reaches the position of the first depth d1 from the second main surface 12b of the semiconductor substrate 12. The first beam B1 collides with the atoms constituting the mask 20 and is scattered in the process of passing through the first region 31 of the mask 20. The first beam B1 that has passed through the mask 20 travels straight to the position of the first depth d1 of the semiconductor substrate 12. In such a process, the first beam B1 has a beam spread and has a predetermined beam diffusion width (also referred to as a first beam diffusion width) s1 at the position of the first depth d1. As a result, the beam width of the first beam B1 in the pattern arrangement direction (x direction) of the mask 20 is about the same as the width W1 of the first region 31 before passing through the mask 20, whereas the first depth d1 At the position of, it becomes W1 + 2 × s1 in consideration of the first beam diffusion width s1.

このとき、第1ビーム拡散幅s1が第2領域32の幅W2の1/2以上であれば、第2領域32を挟んで隣り合う二つの第1領域31a,31bのそれぞれを通過した第1ビームB1が第1深さd1の位置で部分的に重なり合う。その結果、マスク20の第2領域32に対応する位置にも第1ビームB1が照射され、半導体基板12の水平方向(x方向)に連続的な欠陥領域を形成できる。したがって、半導体基板12の水平方向に連続的な第1欠陥領域16を形成するためには、第1ビームB1のビーム拡散幅s1の2倍以下の値に第2領域32の幅W2を設定すればよい。 At this time, if the first beam diffusion width s1 is ½ or more of the width W2 of the second region 32, the first beam has passed through the two adjacent first regions 31a and 31b with the second region 32 in between. The beams B1 partially overlap at the position of the first depth d1. As a result, the first beam B1 is also irradiated to the position corresponding to the second region 32 of the mask 20, and a continuous defect region can be formed in the horizontal direction (x direction) of the semiconductor substrate 12. Therefore, in order to form the first defect region 16 continuous in the horizontal direction of the semiconductor substrate 12, the width W2 of the second region 32 should be set to a value less than twice the beam diffusion width s1 of the first beam B1. Just do it.

図5は、マスク20の第2領域32を通過するビームを模式的に示す断面図であり、第1領域31を挟んで隣り合う二つの第2領域32a,32bを通過するビームを示す。マスク20の第2領域32から出射する第2ビームB2は、半導体基板12の第2主面12bから第2深さd2の位置まで到達する。第2ビームB2は、図4に示した第1ビームB1と同様、第2深さd2の位置において所定のビーム拡散幅(第2ビーム拡散幅ともいう)s2を有する。したがって、半導体基板12の水平方向に連続的な第2欠陥領域18を形成するためには、第2ビームB2のビーム拡散幅s2の2倍以下の値に第1領域31の幅W1を設定すればよい。 FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a beam passing through the second region 32 of the mask 20, and shows a beam passing through two second regions 32a and 32b adjacent to each other with the first region 31 in between. The second beam B2 emitted from the second region 32 of the mask 20 reaches the position of the second depth d2 from the second main surface 12b of the semiconductor substrate 12. The second beam B2 has a predetermined beam diffusion width (also referred to as a second beam diffusion width) s2 at the position of the second depth d2, similarly to the first beam B1 shown in FIG. Therefore, in order to form the second defect region 18 continuous in the horizontal direction of the semiconductor substrate 12, the width W1 of the first region 31 should be set to a value less than twice the beam diffusion width s2 of the second beam B2. Just do it.

なお、半導体基板内のビーム到達位置のビーム拡散幅s1,s2は、入射するイオンビームBの加速エネルギー、イオン種および照射深さ(到達深さ位置)に応じて異なるため、これらの要素を考慮してマスク20の第1領域31および第2領域32の幅W1,W2を設定する必要がある。 Since the beam diffusion widths s1 and s2 at the beam arrival position in the semiconductor substrate differ depending on the acceleration energy, ion type, and irradiation depth (arrival depth position) of the incident ion beam B, these factors are taken into consideration. Therefore, it is necessary to set the widths W1 and W2 of the first region 31 and the second region 32 of the mask 20.

図6は、イオンビームの照射深さとビーム拡散幅の関係を示すグラフである。図6に示すグラフでは、シリコン(Si)で構成される半導体基板12に対し、イオン種および加速エネルギーの異なる3種類のビームを照射したときの照射深さとビーム拡散幅の関係性を示している。ビーム拡散幅は、ある照射深さにおける水平方向のイオン照射量分布の半値幅に基づいて算出している。 FIG. 6 is a graph showing the relationship between the irradiation depth of the ion beam and the beam diffusion width. The graph shown in FIG. 6 shows the relationship between the irradiation depth and the beam diffusion width when the semiconductor substrate 12 made of silicon (Si) is irradiated with three types of beams having different ion types and acceleration energies. .. The beam diffusion width is calculated based on the half width of the horizontal ion irradiation amount distribution at a certain irradiation depth.

図示されるように、4.3MeVの水素(H)イオンの場合、10〜12μm程度のビーム拡散幅を有し、23MeVのヘリウム(He2+)イオンの場合、12〜15μm程度のビーム拡散幅を有し、7.9MeVの水素(H)イオンの場合、28μm〜35μm程度のビーム拡散幅を有することが示される。また、照射深さが深くなるほど、ビーム拡散幅が大きくなる傾向にあることが分かる。グラフから、1〜10MeV程度の水素イオンを用いる場合には、マスク20の第1領域31および第2領域32の幅W1,W2を70μm以下、好ましくは50μm以下にすればよいことが分かる。また、10〜30MeV程度のヘリウムイオンを用いる場合には、マスク20の第1領域31および第2領域32の幅W1,W2を30μm以下、好ましくは20μm以下にすればよいことが分かる。なお、グラフに示されないエネルギー値およびイオン種であっても、水素やヘリウム等の軽イオンを用いる場合には、マスク20の第1領域31および第2領域32の幅W1,W2を少なくとも100μm以下にする必要があると言える。 As shown, a 4.3 MeV hydrogen (H + ) ion has a beam diffusion width of about 10 to 12 μm, and a 23 MeV helium ( 3 He 2+ ) ion has a beam diffusion of about 12 to 15 μm. It has a width, and in the case of 7.9 MeV hydrogen (H + ) ions, it is shown to have a beam diffusion width of about 28 μm to 35 μm. Further, it can be seen that the deeper the irradiation depth, the larger the beam diffusion width tends to be. From the graph, it can be seen that when hydrogen ions of about 1 to 10 MeV are used, the widths W1 and W2 of the first region 31 and the second region 32 of the mask 20 may be 70 μm or less, preferably 50 μm or less. Further, when helium ions of about 10 to 30 MeV are used, it can be seen that the widths W1 and W2 of the first region 31 and the second region 32 of the mask 20 may be set to 30 μm or less, preferably 20 μm or less. Even if the energy value and ion species are not shown in the graph, when light ions such as hydrogen and helium are used, the widths W1 and W2 of the first region 31 and the second region 32 of the mask 20 are at least 100 μm or less. It can be said that it is necessary to.

図7は、実施の形態に係るイオン照射工程における深さ方向のイオン照射量分布を模式的に示すグラフである。上述の通り、半導体基板12には、エネルギーの異なる第1ビームB1および第2ビームB2が照射されるため、それぞれのエネルギーE1,E2に対応する深さ位置d1,d2にピークを有するイオン照射量分布となる。イオン照射量分布の標準偏差をσとすると、照射量分布のピーク位置を中心に±2σ〜3σ程度の範囲において欠陥領域が形成される。したがって、二つのピーク位置の差d1−d2が7σ以上であれば、第1欠陥領域16および第2欠陥領域18が深さ方向に非連続となるように形成することができる。一方、二つのピーク位置の差d1−d2が7σ未満、好ましくは6σ以下であれば、第1欠陥領域16および第2欠陥領域18が深さ方向に連続となるように形成できる。例えば、半導体基板12がシリコンであり、7.9Mevの水素(H+)イオンを照射する場合、イオン照射量分布の標準偏差σは10μm程度であることから、ピーク位置の差d1−d2が70μm以上であれば、深さ方向に分離した第1欠陥領域16および第2欠陥領域18を形成できる。この場合、マスク20のパターン層24の厚さt2は、パターン層24の材料がアルミニウム(Al)であれば、60μm以上とすればよい。なお、パターン層24の材料として高比重材料を用いれば、パターン層24の厚さt2を60μmより小さい値にできる。 FIG. 7 is a graph schematically showing the ion irradiation amount distribution in the depth direction in the ion irradiation step according to the embodiment. As described above, since the semiconductor substrate 12 is irradiated with the first beam B1 and the second beam B2 having different energies, the ion irradiation amount having a peak at the depth positions d1 and d2 corresponding to the respective energies E1 and E2. It becomes a distribution. Assuming that the standard deviation of the ion irradiation dose distribution is σ, a defect region is formed in a range of about ± 2σ to 3σ around the peak position of the irradiation dose distribution. Therefore, if the difference d1-d2 between the two peak positions is 7σ or more, the first defect region 16 and the second defect region 18 can be formed so as to be discontinuous in the depth direction. On the other hand, if the difference d1-d2 between the two peak positions is less than 7σ, preferably 6σ or less, the first defect region 16 and the second defect region 18 can be formed so as to be continuous in the depth direction. For example, when the semiconductor substrate 12 is silicon and irradiates hydrogen (H +) ions of 7.9 Mev, the standard deviation σ of the ion irradiation dose distribution is about 10 μm, so that the peak position difference d1-d2 is 70 μm or more. If so, the first defect region 16 and the second defect region 18 separated in the depth direction can be formed. In this case, the thickness t2 of the pattern layer 24 of the mask 20 may be 60 μm or more if the material of the pattern layer 24 is aluminum (Al). If a high specific density material is used as the material of the pattern layer 24, the thickness t2 of the pattern layer 24 can be set to a value smaller than 60 μm.

つづいて、マスク20の製造方法について説明する。マスク20の製造方法は特に限られず、ベース層22とパターン層24を一体的に形成してもよいし、ベース層22とパターン層24を別に形成した後に両者を積層させてもよい。パターン層24は、平板状または薄膜状の基材を用意し、基材の第1領域31を選択的にエッチングして開口26を形成することで作製されてもよいし、第2領域32に選択的に材料を堆積することで作製されてもよい。第2領域32に選択的に材料を堆積してパターン層24を形成する場合には、樹脂フィルム等の基材上にパターン層24が形成されてもよい。この場合、樹脂フィルム等の基材がベース層22とパターン層24の間に配置され、樹脂フィルム等の基材がマスク20の一部を構成してもよい。その他、ベース層22を基材とし、ベース層22の上にパターン層24となる材料を堆積させることにより、ベース層22とパターン層24を一体的に形成してもよい。 Next, a method of manufacturing the mask 20 will be described. The method for manufacturing the mask 20 is not particularly limited, and the base layer 22 and the pattern layer 24 may be integrally formed, or the base layer 22 and the pattern layer 24 may be formed separately and then laminated. The pattern layer 24 may be produced by preparing a flat or thin base material and selectively etching the first region 31 of the base material to form an opening 26, or the pattern layer 24 may be formed in the second region 32. It may be produced by selectively depositing materials. When the material is selectively deposited in the second region 32 to form the pattern layer 24, the pattern layer 24 may be formed on a base material such as a resin film. In this case, a base material such as a resin film may be arranged between the base layer 22 and the pattern layer 24, and the base material such as a resin film may form a part of the mask 20. In addition, the base layer 22 and the pattern layer 24 may be integrally formed by using the base layer 22 as a base material and depositing a material to be the pattern layer 24 on the base layer 22.

上述のマスク20の製造方法では、パターン層24の厚さt2を小さくし、開口26のアスペクト比(t2/W1またはt2/W2)が0.3以下となるようにすることが好ましい。開口26のアスペクト比を小さくすることで、開口26の側壁を垂直に形成することが容易となり、第1ビームB1と第2ビームB2のエネルギーを好適に分離することができる。言い換えれば、パターン層24の厚さt2を小さくすることでパターン層24の加工精度を高めることができる。パターン層24の厚さt2を小さくするためには、上述のように、パターン層24として高比重材料を用いることが好適である。 In the method for manufacturing the mask 20 described above, it is preferable to reduce the thickness t2 of the pattern layer 24 so that the aspect ratio (t2 / W1 or t2 / W2) of the opening 26 is 0.3 or less. By reducing the aspect ratio of the opening 26, it becomes easy to form the side wall of the opening 26 vertically, and the energies of the first beam B1 and the second beam B2 can be suitably separated. In other words, the processing accuracy of the pattern layer 24 can be improved by reducing the thickness t2 of the pattern layer 24. In order to reduce the thickness t2 of the pattern layer 24, it is preferable to use a high specific density material as the pattern layer 24 as described above.

一方、ベース層22は、単層で構成されてもよいし、複数層の積層体で構成されてもよい。例えば、厚さの異なる複数のマスク基板を用意し、複数のマスク基板の組み合わせを変えることによりベース層22の厚さt1を調整するようにしてもよい。例えば、10μm、20μm、50μm、100μm、200μm等の厚さの異なる複数のマスク基板を用意してこれらを組み合わせることにより、10μm〜500μm程度の範囲で任意の厚さのベース層22を構成できるようにしてもよい。さらに、材料および厚さt2の少なくとも一方が異なる複数のパターン層24を用意しておき、複数のパターン層24のいずれか一つと、一枚以上のマスク基板で構成されるベース層22とを組み合わせてマスク20を構成してもよい。これにより、マスク20から出射する第1ビームB1および第2ビームB2のエネルギーE1,E2を調整し、所望の深さ位置d1,d2に第1欠陥領域16および第2欠陥領域が形成されるように調整できる。この場合、ベース層22およびパターン層24を積層した状態で固定するための固定冶具が用いられてもよい。この固定冶具は、マスク20を半導体基板12に対して固定する機能を有してもよく、ウェハ保持装置66に取付可能となるように構成されてもよい。 On the other hand, the base layer 22 may be composed of a single layer or a laminated body of a plurality of layers. For example, a plurality of mask substrates having different thicknesses may be prepared, and the thickness t1 of the base layer 22 may be adjusted by changing the combination of the plurality of mask substrates. For example, by preparing a plurality of mask substrates having different thicknesses such as 10 μm, 20 μm, 50 μm, 100 μm, and 200 μm and combining them, a base layer 22 having an arbitrary thickness can be formed in the range of about 10 μm to 500 μm. It may be. Further, a plurality of pattern layers 24 having different materials and at least one thickness t2 are prepared, and any one of the plurality of pattern layers 24 is combined with the base layer 22 composed of one or more mask substrates. The mask 20 may be configured. As a result, the energies E1 and E2 of the first beam B1 and the second beam B2 emitted from the mask 20 are adjusted so that the first defect region 16 and the second defect region are formed at the desired depth positions d1 and d2. Can be adjusted to. In this case, a fixing jig for fixing the base layer 22 and the pattern layer 24 in a laminated state may be used. This fixing jig may have a function of fixing the mask 20 to the semiconductor substrate 12, or may be configured so that it can be attached to the wafer holding device 66.

以上の構成により、本実施の形態に係るマスク20を用いてイオン照射を実行することで1回の照射工程で異なる深さ位置d1,d2に欠陥領域16、18を同時形成できる。マスク20の第1領域31と第2領域32の配列幅W1,W2を100μm以下とすることにより、各ビームB1,B2が到達する深さ位置d1,d2において各ビームが少なくとも部分的に重なり合うようにすることができ、深さ方向に直交する水平方向に連続的な欠陥領域16、18を形成できる。本実施の形態によれば、異なる深さ位置に欠陥領域を形成するためにイオンビームBのエネルギーを変えて複数回照射しなくても済むため、イオン照射工程の生産性を向上させることができる。 With the above configuration, by executing ion irradiation using the mask 20 according to the present embodiment, defect regions 16 and 18 can be simultaneously formed at different depth positions d1 and d2 in one irradiation step. By setting the arrangement widths W1 and W2 of the first region 31 and the second region 32 of the mask 20 to 100 μm or less, the beams are at least partially overlapped at the depth positions d1 and d2 reached by the beams B1 and B2. It is possible to form continuous defect regions 16 and 18 in the horizontal direction orthogonal to the depth direction. According to the present embodiment, it is not necessary to change the energy of the ion beam B to irradiate the ion beam B a plurality of times in order to form defect regions at different depth positions, so that the productivity of the ion irradiation step can be improved. ..

以上、本発明を実施の形態にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。 The present invention has been described above based on the embodiments. It is understood by those skilled in the art that the present invention is not limited to the above-described embodiment, various design changes are possible, various modifications are possible, and such modifications are also within the scope of the present invention. It is about to be.

図8および図9は、変形例に係るマスク20の構成を模式的に示す上面図である。上述の実施の形態では、第1領域31および第2領域32が一方向(x方向)にのみ配列される場合を示したが、変形例においては第1領域31および第2領域32が二次元的に配列されてもよい。例えば、図8に示されるように、矩形状の開口26がx方向およびy方向の二方向に配列されてもよい。また、開口26の形状は矩形に限られず、図9に示されるように円形状の開口26を設けてもよい。 8 and 9 are top views schematically showing the configuration of the mask 20 according to the modified example. In the above-described embodiment, the case where the first region 31 and the second region 32 are arranged in only one direction (x direction) is shown, but in the modified example, the first region 31 and the second region 32 are two-dimensional. It may be arranged as a target. For example, as shown in FIG. 8, the rectangular openings 26 may be arranged in two directions, the x direction and the y direction. Further, the shape of the opening 26 is not limited to a rectangle, and a circular opening 26 may be provided as shown in FIG.

図10は、変形例に係る半導体装置10の製造方法を模式的に示す断面図である。本変形例では、マスク20がイオンビームBの入射方向に対して傾斜させており、マスク20に対するイオンビームBの入射角θを0度近傍からずらしている。本変形例では、マスク20が傾斜しているため、イオンビームBの入射方向(z方向)から見たときの第1領域31および第2領域の幅W1a,W2aの値をマスク20のパターン配列方向(矢印Cの方向)の幅W1,W2より小さくできる。具体的には、ビーム入射方向(z方向)から見たときの第1領域31および第2領域の幅W1a,W2aをパターン層24のパターン幅W1,W2の1/cosθにできる。これにより、各ビームB1,B2が重なり合う範囲を広くし、半導体基板12の水平方向により均一な分布の欠陥領域16,18を形成できる。 FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing a manufacturing method of the semiconductor device 10 according to the modified example. In this modification, the mask 20 is tilted with respect to the incident direction of the ion beam B, and the incident angle θ of the ion beam B with respect to the mask 20 is shifted from the vicinity of 0 degrees. In this modification, since the mask 20 is tilted, the values of the widths W1a and W2a of the first region 31 and the second region when viewed from the incident direction (z direction) of the ion beam B are arranged in the pattern of the mask 20. It can be smaller than the widths W1 and W2 in the direction (direction of arrow C). Specifically, the widths W1a and W2a of the first region 31 and the second region when viewed from the beam incident direction (z direction) can be set to 1 / cosθ of the pattern widths W1 and W2 of the pattern layer 24. As a result, the overlapping range of the beams B1 and B2 can be widened, and defect regions 16 and 18 having a more uniform distribution in the horizontal direction of the semiconductor substrate 12 can be formed.

なお、さらなる変形例では、マスク20だけ傾斜させるのではなく、半導体基板12をイオンビームBの入射方向に対して傾斜させてもよい。例えば、マスク20を半導体基板12に対して固定し、半導体基板12とマスク20の傾斜角θが同じとなるようにしてもよい。この場合、ビーム輸送装置54を進行するイオンビームBに対してウェハ保持装置66を傾斜させてもよいし、ビーム輸送装置54の下流にビーム偏向装置を設け、ビームがウェハ保持装置66に対して斜入射するようにしてもよい。 In a further modification, the semiconductor substrate 12 may be tilted with respect to the incident direction of the ion beam B instead of tilting only the mask 20. For example, the mask 20 may be fixed to the semiconductor substrate 12 so that the inclination angles θ of the semiconductor substrate 12 and the mask 20 are the same. In this case, the wafer holding device 66 may be tilted with respect to the ion beam B traveling through the beam transporting device 54, or a beam deflecting device may be provided downstream of the beam transporting device 54 so that the beam can be directed to the wafer holding device 66. It may be obliquely incident.

図11及び図12は、変形例に係るイオン照射工程を模式的に示す図である。さらなる変形例では、半導体基板12およびマスク20に対してイオンビームを斜めに入射させるとともに、イオンビームの入射方向の異なる複数回のイオン照射工程を組み合わせる。図11は、第1イオン照射工程を模式的に示しており、半導体基板12およびマスク20に対してイオンビームB10の入射角が+θ方向に傾斜している。図12は、第2イオン照射工程を模式的に示しており、半導体基板12およびマスク20に対してイオンビームB20の入射角が第1イオン照射工程とは反対側の−θ方向に傾斜している。 11 and 12 are diagrams schematically showing an ion irradiation step according to a modified example. In a further modification, the ion beam is obliquely incident on the semiconductor substrate 12 and the mask 20, and a plurality of ion irradiation steps in which the ion beams are incident in different directions are combined. FIG. 11 schematically shows the first ion irradiation step, in which the incident angle of the ion beam B10 is inclined in the + θ direction with respect to the semiconductor substrate 12 and the mask 20. FIG. 12 schematically shows the second ion irradiation step, in which the incident angle of the ion beam B20 with respect to the semiconductor substrate 12 and the mask 20 is inclined in the −θ direction opposite to that of the first ion irradiation step. There is.

本変形例では、図11の第1イオン照射工程において、第2領域32を挟んで隣り合う二つの第1領域31a,31bのそれぞれを通過した第1ビームB11は第1深さd1の位置で重なっていない。同様に、図12の第2イオン照射工程においても、第2領域32を挟んで隣り合う二つの第1領域31a,31bのそれぞれを通過した第1ビームB21は第1深さd1の位置で重なっていない。しかしながら、第1イオン照射工程と第2イオン照射工程で照射方向を変化させているため、それぞれの工程で照射した第1ビームB11,B21の第1深さd1の位置での照射範囲W11,W21が部分的に重なり合う。このようにして照射方向(照射角度)の異なるビーム照射を組み合わせることにより、水平方向に連続的につながる欠陥領域を形成できる。なお、第2領域32を通過する第2ビームについても同様である。 In this modification, in the first ion irradiation step of FIG. 11, the first beam B11 that has passed through each of the two adjacent first regions 31a and 31b across the second region 32 is at the position of the first depth d1. It does not overlap. Similarly, in the second ion irradiation step of FIG. 12, the first beam B21 that has passed through each of the two adjacent first regions 31a and 31b across the second region 32 overlaps at the position of the first depth d1. Not. However, since the irradiation direction is changed in the first ion irradiation step and the second ion irradiation step, the irradiation ranges W11 and W21 at the position of the first depth d1 of the first beams B11 and B21 irradiated in each step. Partially overlap. By combining beam irradiations having different irradiation directions (irradiation angles) in this way, it is possible to form defect regions that are continuously connected in the horizontal direction. The same applies to the second beam passing through the second region 32.

本変形例によれば、上述の実施の形態よりマスク20の開口幅W1,W2を大きくしたとしても、マスク20のパターン配列方向に連続的な欠陥領域を形成できる。例えば、上述の実施の形態と比べてマスク20の開口幅W1,W2を2倍程度にしたとしても、マスク20のパターン配列方向に連続的な欠陥領域を形成できる。したがって、本変形例によれば、マスク20のパターンサイズを大きくし、マスク20の加工容易性を高めることができる。また、照射するイオンビームのビーム拡散幅が小さい場合でも、パターン配列方向に連続的な欠陥領域を形成できる。 According to this modification, even if the opening widths W1 and W2 of the mask 20 are made larger than those of the above-described embodiment, a continuous defect region can be formed in the pattern arrangement direction of the mask 20. For example, even if the opening widths W1 and W2 of the mask 20 are doubled as compared with the above-described embodiment, a continuous defect region can be formed in the pattern arrangement direction of the mask 20. Therefore, according to this modification, the pattern size of the mask 20 can be increased to improve the workability of the mask 20. Further, even when the beam diffusion width of the ion beam to be irradiated is small, a continuous defect region can be formed in the pattern arrangement direction.

さらなる変形例では、ビームの入射方向を三以上に変化させてもよい。例えば、半導体基板12およびマスク20に対して垂直方向、+θ方向、−θ方向の三つを組み合わせてもよいし、+2θ、+θ、−θ、−2θの四つを組み合わせてもよい。また、図8や図9に示すような二次元的に配列されるマスク20を用いる場合には、ビームの入射方向をx方向およびy方向のそれぞれについて変化させてもよい。例えば、(x,y)方向のビームの入射角を(+θ,0)、(−θ,0)、(0,+θ)、(0,−θ)に設定して合計で4回のイオン照射を実行してもよい。 In a further modification, the incident direction of the beam may be changed to three or more. For example, the semiconductor substrate 12 and the mask 20 may be combined in the three directions of vertical direction, + θ direction, and −θ direction, or may be combined in the four directions of + 2θ, + θ, −θ, and -2θ. Further, when the masks 20 arranged two-dimensionally as shown in FIGS. 8 and 9 are used, the incident direction of the beam may be changed in each of the x direction and the y direction. For example, the incident angle of the beam in the (x, y) direction is set to (+ θ, 0), (-θ, 0), (0, + θ), (0, -θ), and a total of four ion irradiations are performed. May be executed.

上述の実施の形態では、入射するイオンビームBに対してパターン層24を上流側、ベース層22を下流側となる向きでマスク20を配置する場合を示した。変形例においては、ベース層22が上流側、パターン層24が下流側となる向きでマスク20を使用してもよい。この場合、ベース層22およびパターン層24の材料は、いずれも半導体装置10の性能に影響を与えにくい材料(例えば、Al,Si,Ti)で構成されることが好ましい。 In the above-described embodiment, the case where the mask 20 is arranged so that the pattern layer 24 is on the upstream side and the base layer 22 is on the downstream side with respect to the incident ion beam B is shown. In the modified example, the mask 20 may be used with the base layer 22 on the upstream side and the pattern layer 24 on the downstream side. In this case, the materials of the base layer 22 and the pattern layer 24 are preferably made of materials (for example, Al, Si, Ti) that do not easily affect the performance of the semiconductor device 10.

上述の実施の形態では、マスク20を半導体基板12の近傍であって半導体基板12の主面から離れた位置に配置する場合について示した。さらなる変形例では、マスク20を半導体基板12から離れた位置に配置してもよく、例えば、図1に示すアブソーバ64の位置にマスク20を配置してもよい。マスク20を基板から離すことにより、欠陥領域が形成される深さ位置でのビーム拡散幅をより大きくできる。例えば、23MeVのヘリウム(He2+)イオンの場合、半導体基板12とマスク20の距離を1mm程度離すことでビーム拡散幅を50μm程度増やすことができる。また、半導体基板12とマスク20の距離を1cm程度離せば、ビーム拡散幅を500μm程度にできる。この場合、マスク20の第1領域31および第2領域32の幅W1a,W2aを100μmより大きくしてもよく、例えば、200μm以下、300μm以下、400μm以下または500μm以下としてもよい。 In the above-described embodiment, the case where the mask 20 is arranged in the vicinity of the semiconductor substrate 12 and away from the main surface of the semiconductor substrate 12 is shown. In a further modification, the mask 20 may be arranged at a position away from the semiconductor substrate 12, and for example, the mask 20 may be arranged at the position of the absorber 64 shown in FIG. By separating the mask 20 from the substrate, the beam diffusion width at the depth position where the defect region is formed can be made larger. For example, in the case of 23 MeV helium ( 3 He 2+ ) ions, the beam diffusion width can be increased by about 50 μm by separating the semiconductor substrate 12 and the mask 20 by about 1 mm. Further, if the distance between the semiconductor substrate 12 and the mask 20 is about 1 cm, the beam diffusion width can be made about 500 μm. In this case, the widths W1a and W2a of the first region 31 and the second region 32 of the mask 20 may be larger than 100 μm, and may be, for example, 200 μm or less, 300 μm or less, 400 μm or less, or 500 μm or less.

なお、マスク20が半導体基板12の主面に接するように設けられもよく、半導体基板12の主面上にマスク20が形成されてもよい。半導体基板12の主面上にマスク20を形成する場合、半導体基板12の主面に形成されるレジストや配線層等を利用してもよい。 The mask 20 may be provided so as to be in contact with the main surface of the semiconductor substrate 12, and the mask 20 may be formed on the main surface of the semiconductor substrate 12. When the mask 20 is formed on the main surface of the semiconductor substrate 12, a resist, a wiring layer, or the like formed on the main surface of the semiconductor substrate 12 may be used.

10…半導体装置、12…半導体基板、16…第1欠陥領域、18…第2欠陥領域、20…マスク、22…ベース層、24…パターン層、31…第1領域、32…第2領域。 10 ... semiconductor device, 12 ... semiconductor substrate, 16 ... first defect region, 18 ... second defect region, 20 ... mask, 22 ... base layer, 24 ... pattern layer, 31 ... first region, 32 ... second region.

Claims (11)

半導体基板に向けてマスク越しにイオンビームを照射することを備える半導体装置の製造方法であって、
前記マスクは、入射するイオンビームを第1エネルギーに減速させる第1領域と、前記第1エネルギーより小さい第2エネルギーに減速させる第2領域とを有し、前記第1領域および前記第2領域が少なくとも一方向に交互に配列され、前記イオンビームの入射方向から見たときの前記第1領域および前記第2領域の配列方向の幅がそれぞれ500μm以下であり、
前記イオンビームの進行方向から見たときの前記第1領域の配列方向の幅は、前記第1領域を挟んで隣り合う二つの第2領域を通過して前記第2エネルギーで前記半導体基板に入射するイオンビームが前記半導体基板内で少なくとも部分的に重なり合うように設定されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device, which comprises irradiating a semiconductor substrate with an ion beam through a mask.
The mask has a first region for decelerating an incident ion beam to a first energy and a second region for decelerating the incident ion beam to a second energy smaller than the first energy, and the first region and the second region are in at least one direction are alternately arranged, Ri said first region and said width der 500μm or less each of the arrangement direction of the second region when viewed from the incident direction of the ion beam,
The width of the first region in the arrangement direction when viewed from the traveling direction of the ion beam passes through two adjacent second regions with the first region in between and is incident on the semiconductor substrate with the second energy. A method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that the ion beams to be generated are set so as to overlap at least partially in the semiconductor substrate.
前記マスクは、前記半導体基板から離れて配置されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the mask is arranged away from the semiconductor substrate. 前記マスクは、前記第1領域および前記第2領域にわたって設けられるベース層と、前記ベース層上の前記第2領域に選択的に設けられるパターン層とを含むことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。 The mask 1 or 2 includes a base layer provided over the first region and the second region, and a pattern layer selectively provided in the second region on the base layer. The method for manufacturing a semiconductor device according to the above. 前記パターン層は、前記ベース層より比重の大きい材料を含むことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the pattern layer contains a material having a higher specific density than the base layer. 前記マスクは、入射するイオンビームに対して前記パターン層が上流側、前記ベース層が下流側となる向きで配置されることを特徴とする請求項3または4に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3 or 4, wherein the mask is arranged so that the pattern layer is on the upstream side and the base layer is on the downstream side with respect to the incident ion beam. 前記ベース層は、複数のマスク基板の積層体で構成されることを特徴とする請求項3から5のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 3 to 5, wherein the base layer is composed of a laminate of a plurality of mask substrates. 前記ベース層の厚さと、前記パターン層の厚さおよび材料の少なくとも一方とを調整することにより、前記半導体基板に入射するイオンビームの前記第1エネルギーおよび前記第2エネルギーの値を調整することを特徴とする請求項3から6のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 By adjusting the thickness of the base layer, the thickness of the pattern layer, and at least one of the materials, the values of the first energy and the second energy of the ion beam incident on the semiconductor substrate can be adjusted. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 3 to 6, wherein the method is characterized. 前記イオンビームの進行方向から見たときの前記第2領域の配列方向の幅は、前記第2領域を挟んで隣り合う二つの第1領域を通過して前記第1エネルギーで前記半導体基板に入射するイオンビームが前記半導体基板内で少なくとも部分的に重なり合うように設定され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半導体装置の製造方法。 The width of the second region in the arrangement direction when viewed from the traveling direction of the ion beam passes through two adjacent first regions with the second region in between and is incident on the semiconductor substrate with the first energy. the method of manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 7, the ion beam is characterized and is configured to at least partially overlap Turkey within the semiconductor substrate. 前記第1エネルギーのイオンビームにより前記半導体基板の第1深さ位置に形成される第1欠陥領域と、前記第2エネルギーのイオンビームにより前記半導体基板の第2深さ位置に形成される第2欠陥領域とが深さ方向に非連続に形成されるように前記第1エネルギーおよび前記第2エネルギーの値が調整され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半導体装置の製造方法。 The first defect region formed at the first depth position of the semiconductor substrate by the ion beam of the first energy and the second defect region formed at the second depth position of the semiconductor substrate by the ion beam of the second energy. The semiconductor according to any one of claims 1 to 8, wherein the values of the first energy and the second energy are adjusted so that the defect region is formed discontinuously in the depth direction. How to manufacture the device. 前記第1エネルギーのイオンビームにより前記半導体基板の第1深さ位置に形成される第1欠陥領域と、前記第2エネルギーのイオンビームにより前記半導体基板の第2深さ位置に形成される第2欠陥領域とが深さ方向に連続して形成されるように前記第1エネルギーおよび前記第2エネルギーの値が調整され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半導体装置の製造方法。 The first defect region formed at the first depth position of the semiconductor substrate by the ion beam of the first energy and the second defect region formed at the second depth position of the semiconductor substrate by the ion beam of the second energy. The semiconductor according to any one of claims 1 to 8, wherein the values of the first energy and the second energy are adjusted so that the defect region is continuously formed in the depth direction. How to manufacture the device. 前記イオンビームは、前記マスクの上流側に設けられるアブソーバを通過してから前記第1領域および前記第2領域に入射す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半導体装置の製造方法。The semiconductor according to any one of claims 1 to 10, wherein the ion beam passes through an absorber provided on the upstream side of the mask and then enters the first region and the second region. Manufacturing method of the device.
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