JP2004139944A

JP2004139944A - イオン注入装置及び方法

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Publication number: JP2004139944A
Application number: JP2002305975A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Ito; 伊藤　裕之
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2002-10-21
Filing date: 2002-10-21
Publication date: 2004-05-13

Abstract

【課題】低エネルギーのイオン注入を行うに際し、イオンビームの電流量を高水準に維持し、十分なスループットを達成可能なイオン注入装置及び方法、並びにＳＯＩウェハの製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明のイオン注入装置は、イオン源、引出電極及び質量分析器を備えるもので、イオン源にはイオンが引き出される複数のスリットが該スリットの短軸方向に沿って相互に並列となるように形成されており、引出電極にはイオン源の各スリットに対応する複数のスリットが該スリットの短軸方向に沿って相互に並列となるように形成されていることを特徴とする。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はイオン注入装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＩＣデバイスにドーパントを埋め込む方法として、イオン注入プロセスが利用されている。
【０００３】
また、ＳＯＩウェハ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）の製造方法の一つであるスマートカット法においてもイオン注入プロセスが利用されている。スマートカット法とは、Ｓｉ基板の表面に形成された絶縁層（ＳｉＯ_２層等）を介してＳｉ基板に水素イオンを注入し、この基板を別のＳｉ基板と貼り合わせた後で水素イオン注入層の部分で分断することによってＳＯＩウェハを作製するものである。
【０００４】
このイオン注入プロセスに用いられるイオン注入装置としては、アーク放電やマイクロ波励起によりプラズマチャンバ内で所定イオンを含むプラズマを生成するイオン源を備えるものが知られている（例えば特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−２８３０７４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年のＩＣデバイスの微細化・高性能化に伴い、注入されるイオンのエネルギーは加速的に減少している。例えば、ホウ素（Ｂ）を注入する場合にはイオンのエネルギーが１ｋｅＶ未満であることが求められている。
【０００７】
しかしながら、上記従来のイオン注入装置の場合、低エネルギーのイオンを注入しようとするとイオンのビーム電流が減少してしまう。そのため、高ドーズのイオン注入を要するトランジスターの接合部形成やＳＯＩウェハのイオン注入層形成等の工程においては、妥当なスループットをもってイオン注入を行うことができない。
【０００８】
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、低エネルギーのイオン注入を行うに際し、イオンビームの電流量を高水準に維持し、十分なスループットを達成可能なイオン注入装置及び方法、並びにＳＯＩウェハの製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のイオン注入装置は、所定ガスを励起して所定イオンを含むプラズマを生成させるイオン源と、イオン源からイオンを引き出してイオンビームを発生させる引出電極と、イオンビームを所定磁場内に導入して該イオンビームから半導体基板に注入するイオンを選択する質量分析器と、を備えるイオン注入装置において、イオン源にはイオンが引き出される複数のスリットが該スリットの短軸方向に沿って相互に並列となるように形成されており、引出電極にはイオン源の各スリットに対応する複数のスリットが相互に並列となるように形成されていることを特徴とする。
【００１０】
このように、イオン源に複数のスリットをその短軸方向に沿って相互に並列となるように形成すると共に、引出電極にイオン源の各スリットに対応する複数のスリットを相互に並列となるように形成することで、イオン源中のプラズマ密度をほとんど変化させずに、また、引出電極によるイオンビームの収束効果（光学的レンズ効果）を損なわずに、イオンの有効引出面積を増大させることができるので、低エネルギーのイオンを引き出す場合であってもビーム電流を高めることができる。また、このようにして発生するイオンビームは、スリットの形状（長方形又は角部が丸められた略長方形）に対応する良好なビーム形状を有しているため、質量分析器において所望のイオンを当該イオンビームから効果的に選択することができる。従って、本発明のイオン注入装置により、高ドーズのイオン注入を要するトランジスターの接合部形成やＳＯＩウェハのイオン注入層形成等の工程において、従来のイオン注入装置では達成が困難であった高水準のスループットが実現可能となる。
【００１１】
なお、本発明者の検討によれば、イオン源及び引出電極に１個のスリットが形成された従来のイオン注入装置において、単にスリット自体のサイズを大きくすることでイオン源から引き出されるイオンビームの電流量を増加させることは可能である。しかしながら、このような方法では、引出電極によるイオンの収束効果（光学的レンズ効果）が低下してイオンビームが発散し、ウェハに到達可能なビームの電流量が減少してしまうので、十分なスループットを得ることは非常に困難である。
【００１２】
また、イオンの有効引出面積を増大させる手段として、本発明にかかる複数のスリットの代わりにイオン源及び引出電極に円形の穴部を複数形成してシャワー状のイオンを引き出すことも考えられるが、この場合はイオンビームの総幅が大きくなってしまう。このようなイオンビームから所望のイオンを選択しようとしても、質量分析器において十分な分解能（例えば５０〜１００Ｍ／ΔＭ）が得られず、上述のスループット向上効果が達成できない。
【００１３】
本発明のイオン注入装置は、イオン源及び引出電極が有する複数のスリットの長軸方向が質量分析器の偏向面に対して垂直であることを特徴としてもよい。これにより、質量分析器においてイオンビームから所望のイオンを高い分解能をもって効率よく選択することができる。
【００１４】
また、本発明のイオン注入装置は、引出電極が、互いに対向配置された主電極及び接地電極からなり、主電極に複数のスリットが形成されていることを特徴としてもよい。
【００１５】
また、本発明のイオン注入装置は、引出電極が、イオンを引出エネルギー１０ｋｅＶ以下で引き出すものであることを特徴としてもよい。本発明のイオン注入装置によれば、このように低エネルギーのイオンを引き出す場合であっても、高水準のスループットが達成可能である。
【００１６】
また、本発明のイオン注入装置は、イオンの引出方向に沿って磁場を形成する磁石をさらに備えることを特徴としてもよい。このようにイオンの引出方向にそって磁場を形成することでイオン生成を促進することができる。また、当該磁場は引き出されたイオンの進行方向に影響を与えないため、イオンの進行方向は実質的にイオンの引出方向（すなわち磁場の方向）のままであり、引き出されたイオンが磁場により曲げられてイオンが引出電極等に衝突する現象は起こらない。従って、低エネルギーのイオン、あるいは更に質量数の小さいイオンであっても、引き出されたイオンはそのビーム電流が高水準に維持されたままイオン注入に供されるので、スループットをさらに高めることができる。
【００１７】
また、本発明のイオン注入方法は、イオン源において所定ガスを励起して所定イオンを含むプラズマを生成させる工程と、引出電極によりイオン源からイオンを引き出してイオンビームを発生させる工程と、質量分析器においてイオンビームを所定磁場に導入して該イオンビームから半導体基板に注入するイオンを選択する工程と、を有するイオン注入方法において、イオン源として複数のスリットが該スリットの短軸方向に沿って相互に並列となるように形成されたものを、引出電極として前記イオン源の各スリットに対応する複数のスリットが相互に並列となるように形成されたものをそれぞれ用い、イオン源に形成された各スリットから発生するイオンビームを、引出電極に形成されたイオン源の各スリットに対応するスリットを通して質量分析器に導入することを特徴とする。これにより、低エネルギーのイオンを引き出す場合であってもビーム電流が高められ、また、質量分析器に導入されるイオンビームを良好な形状に保持できるので、高ドーズのイオン注入を要するトランジスターの接合部形成やＳＯＩウェハのイオン注入層形成等の工程において高水準のスループットが達成可能となる。
【００１８】
また、本発明のイオン注入方法は、引出電極によりイオンを引出エネルギー１０ｋｅＶ以下で引き出すことを特徴としてもよい。
【００１９】
また、本発明のイオン注入方法は、イオンの引出方向に沿って磁場を形成することを特徴としてもよい。かかる磁場の形成によりスループットをさらに高めることができる。
【００２０】
また、本発明のＳＯＩウェハの製造方法は、Ｓｉ基板の一方面上に絶縁層を有する第１のウェハの所定深さに水素イオン注入層を形成するイオン注入工程と、イオン注入工程後の第１のウェハの絶縁層上にＳｉ基板からなる第２のウェハを積層して積層体を得る積層工程と、積層体を前記水素イオン注入層で分断する分断工程と、を有するＳＯＩウェハの製造方法であって、イオン注入工程において、上記本発明のイオン注入方法により水素イオン注入層を形成することを特徴とする。
【００２１】
上記製造方法では、第１のウェハ（絶縁層／Ｓｉ基板）の所定深さに水素イオン注入層を形成し、その絶縁層上に第２のウェハを積層して積層体（Ｓｉ基板／絶縁層／Ｓｉ層／水素イオン注入層／Ｓｉ基板）とし、この積層体を水素イオン注入層で分断することによって、ＳＯＩウェハ（Ｓｉ層／絶縁層／Ｓｉ基板）が得られる。このとき、イオン注入工程において上記本発明のイオン注入方法を適用することにより、Ｓｉ基板の所定深さに水素イオンを効率よく注入してスループットを飛躍的に向上させることができる。従って、高集積化等の点で優れたＳＯＩウェハを効率よく且つ確実に製造可能な点で上記製造方法は非常に有用である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について説明する。なお、図面中、同一又は相当部分には同一符号を付することとし、重複する説明は省略する。
【００２３】
先ず、イオン注入方法及びイオン注入装置について説明する。
【００２４】
図１は本発明のイオン注入装置の一例を模式的に示す説明図である。図１に示した装置は、アーク放電型のイオン源５、イオン源５に所定ガスを供給するボンベ１７及び１対の引出電極８、９を含むイオン引出アセンブリ１００、イオン質量セレクタ１３０、並びにターゲット基板ホルダ１４０を備えるものである。
【００２５】
図２はイオン引出アセンブリ１００の概略構成を示す断面図である。同図において、イオン引出アセンブリ１００はソースチャンバ３を有し、このソースチャンバ３内はターボポンプ４により所定の真空度に減圧されている。ソースチャンバ３内にはイオン源５が収容されている。
【００２６】
このイオン源５はアーク放電型のもので、ガス供給源（図示せず）からプラズマチャンバ内に導入されるドーピングガスを放電させてプラズマ状態を作り出し、所定の元素（分子）をイオン化させるものである。導入されるガスは、質量数２０以下のイオンを発生させるためのもので、例えば、水素、ヘリウム又はホウ素のいずれか１種、あるいはこれらの２種以上の混合ガスが好適に使用される。
【００２７】
イオン源５の前面には、イオン源５で生成したイオンが出射される２個のスリット１０ａ、１０ｂが、スリット１０ａ、１０ｂの短軸方向に沿って相互に並列となるように形成されている。また、イオン源５の前面側には、イオン源５からイオンを引き出すための引出電極系７が配置されている。この引出電極系７は、図２に示すように、互いに対向配置された１対の引出電極８，９（引出電極８は主電極、引出電極９は接地電極）を有している。
【００２８】
主電極８は、２個のスリット１２ａ、１２ｂを有する電極本体１２と、この電極本体１２を囲むように構成された円盤状の取付プレート１３とを有している。また、接地電極９は、スリット１４ａ、１４ｂを有する電極本体１４と、この電極本体１４を囲むように構成された円盤状の取付プレート１５とを有している。スリット主電極８の取付プレート１３は、支持部材１６ａを介してソースチャンバ３に固定されている。また、接地電極９の取付プレート１５は、支持部材１６ｂを介してソースチャンバ３に固定されている。
【００２９】
主電極８が有するスリット１２ａ、１２ｂはそれらの短軸方向に沿って相互に並列となるように形成されている。同様に、接地電極９が有するスリット１４ａ、１４ｂはそれらの短軸方向に沿って相互に並列となるように形成されている。スリット１２ａ、１４ａはそれぞれイオン源５のスリット１０ａに対応して形成されたものであり、スリット１２ｂ、１４ｂはそれぞれスリット１０ｂに対応して形成されたものである。
【００３０】
イオン源５及び引出電極８、９のそれぞれにおいて、スリット形成領域の短軸方向の幅（例えば、スリット１０ａのスリット１０ｂから遠い側の長辺と、スリット１０ｂのスリット１０ａから遠い側の長辺と、の距離）は、質量分析器における所定の分解能（好ましくは５０〜１００Ｍ／ΔＭ）が得られる幅の範囲内であることが好ましい。
【００３１】
このようなイオン引出アセンブリ１００において、イオン源５と主電極８との間に所望の電圧を印加すると、スリット１０ａ、１０ｂのそれぞれからイオンが引き出されると共に加速され、イオンビームが形成される。例えば陽イオンを引き出す場合、イオン源５は接地電極９に対して正電圧に、主電極８は接地電極９に対して負電圧に維持される。このときのイオンの引出エネルギーは、下記式（１）で求められる。本発明におけるイオンの引出エネルギーは、好ましくは１０ｋｅＶ以下、より好ましくは１ｋｅＶ以下である。
【００３２】
Ｅ　＝　ＺＶ　［ｅＶ］　＝　ＺｅＶ　［Ｊ］　　　　（１）
［式（１）中、Ｅはイオンの引出エネルギーを表し、Ｚはイオンの電荷数を表し、Ｖは引出電圧（主電極とイオン源との電位差）を表し、ｅは電子の電荷を表す。］このようにしてイオンビームが形成されるときのイオン源５及び引出電極８、９の位置関係、並びに各イオンビームの光路を図３に概念的に示す。図３中、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図である。図示の通り、スリット１０ａから引き出されるイオンはイオンビームＩＢ−１を形成し、スリット１２ａ、１４ａを通ってイオン質量セレクタ１３０に導かれる。同様に、スリット１０ｂから引き出されるイオンはイオンビームＩＢ−２を形成し、スリット１２ｂ、１４ｂを通ってイオン質量セレクタ１３０に導かれる。
【００３３】
また、ソースチャンバ３内において、イオン源５の周囲には、所定方向に巻回されたソレノイドコイル６が配置されている。ソレノイドコイル６に電流を流すことで、引出電極系７によるイオンの引出方向に沿って磁場が形成される。このときのイオンの引出方向とソレノイドコイル６により形成される磁場の方向との関係を図４に概念的に示す。図示の通り、ソレノイドコイル６の所定の方向に電流を通すと、イオンの引出方向に沿って、すなわちイオン源５のスリット１０ａ（及び１０ｂ）から引出電極８、９のスリット１２ａ、１４ａ（及び１２ｂ、１４ｂ）に向けて磁場が形成され、イオン生成が促進される。このとき、イオン源５から引き出されたイオンの進行方向は実質的にイオンの引出方向（すなわち磁場の方向）のままである。従って、低エネルギーのイオン、あるいはさらに質量数の小さいイオン（例えば水素、ヘリウム又はホウ素等の質量数２０以下のイオン）であっても、引き出されたイオンが磁場により曲げられてイオンが引出電極系７等に衝突する現象は起こらず、イオンのビーム電流は高水準に維持される。
【００３４】
図１に戻り、イオン引出アセンブリ１００からのイオンビームＩＢは、イオン質量セレクタ１３０に導入される。
【００３５】
イオン質量セレクタ１３０は、質量選択スリット１３１と、質量選択スリット１３１と共に作動する磁気セクタ質量分析器１３２とを備える。
【００３６】
磁気セクタ質量分析器１３２には、図１の紙面に対して垂直方向の磁場が形成される。また、磁場の調整のために複数方向の磁場が形成される場合もある。そのような磁場の中で、所定の質量／荷電比を持つ定エネルギーのイオンを含むイオンビームが、イオン源５のアークチャンバの出口アパーチャに接近した点を基点とし、分析器１３２の入口アパーチャから出口アパーチャを通って質量選択スリット１３１の面で焦点を結ぶ。スリット１３１は、磁気セクタ質量分析器１３２からのイオンビームのうち必要とするイオンのみを通過させる。スリット１３１を通過した所望のイオンはターゲット基板ホルダ１４０に装着されたターゲット基板１４１に照射される。スリット１３１及び磁気セクタ質量分析機１３２は、ハウジングで囲むか、もしくは機構中にチューブを貫通させる形をとり、その内部はターボポンプ（図示せず）により所定の真空度に減圧されている。
【００３７】
図１は、単一の質量／荷電比のイオンビームがスリット１３１のアパーチャに単一の焦点を結び、ターゲット基板１４に向かってスリット１３１を通過するときの様子を模式的に示しているが、実際には、イオン引出アセンブリ１００からのイオンビームには、基板１４１への注入に望ましいものとは異なる質量／荷電比のイオンも含まれる。これらの望ましくないイオンは、所望のイオンとは異なる曲率半径を持ち、スリットを通過しない。したがって分析器１３２は、図１の面内に偏向面（ディスパージョンプレーン）を持つ。この偏向面に対して、イオン源５及び引出電極８、９に形成されたスリットの長軸方向は垂直であることが好ましい。
【００３８】
このように本実施形態では、イオン源５及び引出電極８、９のそれぞれに、２個のスリットをそれらの短軸方向に沿って相互に並列となるように形成することで、例えばイオン源５及び引出電極８、９のそれぞれにスリットが１個ずつ形成された系（以下、「単一スリット系」という）に比べてイオンの有効引出面積を倍増させることができる。なお、単一スリット系の場合、各スリットのサイズを大きくしてイオンの有効引出面積を増大させると、十分な収束効果が得られずにイオンビームが発散する現象が起こり得るが、上述のようにスリットのサイズは変えずに個数の増加によりイオンの有効引出面積を大きくした場合には、同サイズの単一スリット系の場合と同様の収束効果がイオンビームＩＢ−１、ＩＢ−２それぞれについて得られるため、イオンの有効面積の増大によるイオンビームの発散等の現象は起こらず、低エネルギーのイオン、あるいはさらに質量数が小さいイオンを引き出す場合であってもビーム電流を高めることができる。
【００３９】
また、このようにして形成されたイオンビームはスリットの形状に対応した良好なビーム形状を有しているため、当該イオンビームをイオン質量セレクタ１３０に導入することで、イオン注入に必要なイオンを高い分解能で効率よく選択することができる。このようにして選択されたイオンをターゲット１４１に照射することによって、十分に高いスループットでイオン注入を行うことが可能となる。
【００４０】
また、本実施形態においては、イオン源５の周囲を巻回するソレノイドコイル６によりイオンの引出方向に沿って磁場を形成することによって、引き出されたイオンが磁場により曲げられることなくイオン源５からのイオンの引出を促進し、イオンのビーム電流を高水準に維持することができる。このようにアーク放電型のイオン源５の周囲にソレノイドコイル９を配置して上述の磁場を形成することは、イオン源５等の大幅な改良や大型化等を必要とせずにさらなるスループットの向上効果が得られる点で非常に有用である。さらに、上記磁場の形成によるイオンの引出電極への衝突防止に伴い、引出電極等の長寿命化、パーティクル汚染の低減、真空ポンプの長寿命化等の効果も得られる。
【００４１】
なお、本発明は上記の実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、図３〜６には端部が円弧状である略長方形のスリットを示したが、スリットの形状は長方形であってもよい。
【００４２】
また、図１に示したイオン注入装置は、イオン源５及び引出電極８、９にスリットが２個ずつ形成されたものであるが、イオン源及び引出電極のそれぞれが有するスリットの個数は３個以上であってもよい。なお、スリットの個数が３個以上である場合も、スリット形成領域の短軸方向の幅は、質量分析器における所定の分解能（好ましくは５０〜１００Ｍ／ΔＭ）が得られる幅の範囲内であることが好ましい。さらに、引出電極系７においては、イオン源５のスリットに対応するスリットが主電極８に複数形成されていればよく、接地電極９には主電極８のスリットを通過するイオンビームが衝突しないように１個のスリットを設けてもよい。
【００４３】
また、図１に示したイオン注入装置において、イオンの引出方向に沿った磁場の形成手段として、ソレノイドコイル９の代わりに後述する永久磁石又は電磁石を用いることもできる。
【００４４】
すなわち、図５に示すように、イオン源５の背面側（引出電極と反対側）に、永久磁石５０を引出電極に近い側がＮ極、引出電極に遠い側がＳ極となるように配置することによって、イオンの引出方向に沿って磁場が形成されるので、ソレノイドコイル６を用いた場合と同様の効果が得られる。なお、イオンの引出方向に沿って磁場が形成されれば、引出電極に近い側がＳ極、引出電極に遠い側がＮ極となるように永久磁石を配置してもよい。
【００４５】
また、図６に示すように、イオン源５の背面側（引出電極と反対側）に、軟鋼又は磁性体からなる芯材６１と、芯材６１の外周を所定の方向に巻回するソレノイドコイル６２とを備える電磁石６０を配置することによっても、イオンの引出方向に沿って磁場が形成されるので、ソレノイドコイル６を用いた場合と同様の効果を得ることができる。
【００４６】
また、本発明では、後述するようにイオン源としてマイクロ波イオン源を用いてもよい。以下、本発明の他の例としてマイクロ波イオン源を用いて水素イオンを注入する場合について説明する。なお、マイクロ波イオン源はホウ素や他の元素を注入する場合にも適用可能である。
【００４７】
図７は、図１中のアーク放電型イオン源５と置換可能なマイクロ波イオン源の一例を示す概略構成図である。図７中、マグネトロン２１、マグネトロンマウント２２、サーキュレータ２３、パワーモニタ２５、スタブチューナ２６、インターフェースチューブ２７、ソースヘッド２８がこの順で連結されてマイクロ波イオン源が構成されている。ソースヘッド２８の前面にはプラズマチャンバ２９が設けられている。また、サーキュレータ２３の側部にはダミーロード２４が設けられている。
【００４８】
マグネトロン２１は所定のマイクロ波（例えば２．４５ＧＨｚのもの）を発生させるもので、このマイクロ波がソースヘッド２８に導入されてプラズマ生成に利用される。サーキュレータ２３はマグネトロン２１側に戻ろうとする反射されたマイクロ波をダミーロード２４に迂回させるものであり、迂回したマイクロ波はダミーロード２４で吸収されて熱に変換される。また、スタブチューナ２６はマイクロ波の反射を小さくしてより多くのマイクロ波がプラズマ生成に消費されるように調整するものである。なお、マイクロ波の出力を検出するパワーモニタ２５、インターフェースチューブ２７等は必須の要素ではなく、適宜省略することができる。
【００４９】
図８は、ソースヘッド２８をマイクロ波の導入路を含む平面で切断したときの断面図である。図３中、ソースチャンバ３１のマグネトロン側（マイクロ波ＭＷの入口側）にはソースブッシング３２が形成されており、その端部はソースヘッドの内側に向けて折れ曲がった形状となっている。この折れ曲がり部の先端にはマグネットヨーク３３が設けられてソースヘッド２８を挿入するための空間を与えている。マグネットヨーク３３の前面には開口部を有する出口側プレート３４が設けられ、さらにプレート３４のマグネトロン側の開口部には凹状のプラズマチャンバ２９が配置されている。プラズマチャンバ２９の凹部の空間３７はプラズマ生成領域であり、この部分に所定ガスが供給される。
【００５０】
また、凸状のマグネットポール３５は、凸部の先端がプラズマチャンバ２９に近接するとともに底部側面がマグネットヨーク３３側部の内壁面と密着するように配置されている。このマグネットポール３５には底部の中心から凸部先端までを連通するように導波管３６が配置されている。この導波管３６はマイクロ波をプラズマチャンバ２９に導入するものである。
【００５１】
マグネットヨーク３３及びプレート３４の内壁面並びにプラズマチャンバ２９及びマグネットポール３５の外壁面により形成される空間には、マグネットポール３５の凸部を巻回するようにソレノイドコイル３８が配置されている。かかる構成により、プラズマチャンバ２９から引き出されるイオンの引出方向に沿って磁場が形成される。
【００５２】
上記の構成を有するマイクロ波イオン源において、磁場内の電子はローレンツ力を受けて磁束線に沿って旋回する。このとき、プラズマ生成領域３７に水素ガスを導入しながら導波管３６にマイクロ波を導入すると、磁場内の電子がマイクロ波により励起され、この励起電子とプラズマ生成領域３７内のガスとの衝突により水素イオンを含むプラズマが生成する。
【００５３】
このようにして生成したイオンを引き出してイオンビームを発生させ、アーク放電型イオン源の場合と同様にイオン質量セレクタ１３０を介してターゲット基板１４にイオンを照射する。なお、図８にはイオン源のスリットは図示していないが、プレート３４には２個のスリットが形成されている。これにより、イオンの有効引出面積が増大し、イオンのビーム電流を向上させることができる。また、ソレノイドコイル３８によりイオンの引出方向に沿って磁場を形成することで、イオンの進行方向が曲げられて引出電極系７等に衝突する現象を防止でき、低エネルギーのイオン、あるいはさらに質量数の小さいイオンであっても高水準のビーム電流が達成可能となる。
【００５４】
本発明において、マイクロ波イオン源を用いたプラズマ生成は、ＥＣＲモード、非ＥＣＲモード（Ｏｆｆ−ＥＣＲモード）のいずれで行ってもよいが、水素ガスを用いる場合は非ＥＣＲモードで行うことが好ましい。非ＥＣＲモードでプラズマ生成を行うことで、低エネルギー電子による水素分子イオンの生成効率及びプラズマ密度を高めることができ、水素イオンビームＩＢの電流密度及び水素分子イオンの割合を向上させることができる。
【００５５】
なお、ここでいうＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）モードとは、マイクロ波の周波数を下記式（２）：
【００５６】
【数１】

【００５７】
［式（２）中、ω_ｅは電子サイクロトロン周波数を表し、ｍ_ｅは電子の質量を表し、ｅは電子の電荷を表し、Ｂは磁場の強さを表す。］
で表される電子サイクロトロン周波数（磁束線に沿って旋回する電子の周波数）と一致させることによって、電子サイクロトロン共鳴吸収過程で電子を選択的に励起し、その励起電子と水素分子とを衝突させてプラズマを生成させるものである。しかしながら、ＥＣＲモードでプラズマ生成を行うと、水素原子イオン（Ｈ^＋）が生成しやすく、水素イオンビームの電流密度が不十分となりやすい。
【００５８】
一方、非ＥＣＲモードとは、ＥＣＲ条件を満たさないように、すなわちマイクロ波の周波数及び磁場の強さが下記式（３）又は（４）：
【００５９】
【数２】

【００６０】
【数３】

【００６１】
［式（３）、（４）中、ωはマイクロ波の周波数を表し、ｍ_ｅは電子の質量を表し、ｅは電子の電荷を表し、Ｂは磁場の強さを表す］
で表される条件を満たすように設定してプラズマ生成を行うものである。なお、非ＥＣＲモード設定の際には、マイクロ波の周波数を固定して磁場の強さを調節してもよく、また、磁場の強さを固定してマイクロ波の周波数を調節してもよい。
【００６２】
非ＥＣＲモードにおいては、マイクロ波の周波数ωが電子サイクロトロン周波数ω_ｅよりも１０〜５０％（より好ましくは２０〜４０％）だけ高く（又は低く）なるように、マイクロ波の周波数及び磁場の強さを設定することが好ましい。従って、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いる場合、磁場の強さは９６〜１３１ｍＴ又は４４〜７９ｍＴ（より好ましくは１０５〜１２３ｍＴ又は５３〜７０ｍＴ）であることが好ましい。また、１４．５ＧＨｚのマイクロ波を用いる場合、磁場の強さは５７０〜７７７ｍＴ又は２５９〜４６６ｍＴであることが好ましい。
【００６３】
また、プラズマ生成領域３７に水素ガスが導入されてから水素イオンビームＩＢが引き出されるまでの水素分子の平均滞留時間は、５×１０^−４〜５×１０^−３秒であることが好ましく、７×１０^−４〜３×１０^−３秒であることがより好ましい。平均滞留時間が前記上限値を超えると水素分子イオンの割合が低下する傾向にあり、また、前記下限値未満であるとプラズマの生成効率が低下する傾向にある。当該平均滞留時間の設定は、プラズマチャンバ２９の形状及びサイズ、水素ガスの供給量、水素イオンビームＩＢの引き出し量等の調節により行うことができる。
【００６４】
なお、アーク放電型イオン源やＲＦイオン源等を用いた従来法では、水素分子イオンよりも水素原子イオンの方が生成しやすいため、イオン注入の際には専ら水素原子イオンが利用されていた。これに対して本発明のイオン注入方法では、マイクロ波を利用してプラズマ生成を行い、イオンの引出方向に沿って磁場を形成してイオンを引き出すことで、従来法に比べてプラズマ中の水素分子イオンの割合を飛躍的に増大させ、さらにはその水素分子イオンを低い引出エネルギーで且つ高いビーム電流で利用することができる。従って、従来では達成が困難であった高水準のスループットを容易に実現することができる。
【００６５】
例えば、本発明者は、マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚ、マイクロ波の出力が７００Ｗ、磁場の強さが７０ｍＴである非ＥＣＲモードにおいて、水素分子の平均滞留時間を８．９×１０^−４秒としてプラズマを生成させたとき、Ｈ^＋イオンが１３．５％、Ｈ_２ ^＋イオンが７８．１％、Ｈ_３ ^＋イオンが８．４％というイオン組成が達成されたことを確認している。これに対して、従来型のアーク放電型イオン源により生成したプラズマ中のイオン組成は、Ｈ^＋イオンが６０．２％、Ｈ_２ ^＋イオンが２２．９％、Ｈ_３ ^＋イオンが１６．９％であった。
【００６６】
本発明のイオン注入装置及びイオン注入方法は、上述のように高水準のスループットの達成が可能なものであり、高ドーズのイオン注入を要するトランジスターの接合部形成やＳＯＩウェハのイオン注入層形成等の工程において非常に有用である。
【００６７】
ここで、ＳＯＩウェハの製造方法について、Ｓｉ層／ＳｉＯ_２層／Ｓｉ基板の積層構造を有するＳＯＩウェハを製造する場合を例にとって詳述する。
【００６８】
図９（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ各工程におけるウエハの積層構造を模式的に示す断面図である。
【００６９】
イオン注入工程においては、ターゲット基板として、Ｓｉ基板（Ｓｉ−ｄｏｎｏｒ　ｗａｆｅｒ）９１の一方面上にＳｉＯ_２層９２が形成されたものを用いる。ＳｉＯ_２層９２は、例えばＳｉ基板の表面を酸化させることにより形成可能であり、その厚さは例えば０．０１〜１．０μｍである。
【００７０】
このターゲット基板に対して、ウェハのＳｉＯ_２層９２側から水素分子イオンを照射することによって、Ｓｉ基板９２中の所定深さに水素イオン注入層９３が形成され、これに伴いＳｉＯ_２層９２と水素イオン注入層９３との間に薄いＳｉ層が形成される（図９（ａ））。
【００７１】
イオン注入工程において、マイクロ波イオン源を用いる場合は、非ＥＣＲモードによるプラズマ生成を行うことが好ましい。これにより、水素分子イオンの生成が促進されるため、非常に高いスループットが実現可能となり、その結果、ＳＯＩウェハの製造効率を飛躍的に向上させることができる。
【００７２】
イオン注入工程におけるイオン注入量は１×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以上であることが好ましい。また、水素イオン注入層９３は、例えばＳｉ層９４とＳｉＯ_２層８２との界面からの深さ０．００５〜１．５μｍの位置に形成される。
【００７３】
次に、ターゲット基板のＳｉＯ_２層９２上にＳｉ基板（Ｓｉ−ｈａｎｄｌｅ　ｗａｆｅｒ）９５を貼り合わせる（図９（ｂ））。なお、ＳｉＯ_２層が形成されていないＳｉ基板を用いて上記と同様のイオン注入工程を行い、その一方で表面にＳｉＯ_２層が形成されたＳｉ基板を用意して、積層工程において両者を貼り合わせることによっても目的の積層体を得ることができる。
【００７４】
この積層体を水素イオン注入層９３で分断する（図９（ｃ））。水素イオン注入層９３はシリコン原子同士の共有結合が切断された脆弱な層であるため、水素イオン注入層９３の側面に乾燥空気等のガスを吹き付けたり、機械的に剪断を加えたりすることによって容易に分断することができる。
【００７５】
このようにして、Ｓｉ基板９５上にＳｉＯ_２層９２及びＳｉ層９４がこの順で積層されたＳＯＩウェハが得られる（図９（ｃ））。なお、分断工程後のＳｉ層９４の表面に水素イオン注入層９３の一部が残存する場合があるが、研磨処理等を行うことでその残さを容易に除去することができる。また、Ｓｉ層９４を更に研磨することにより、Ｓｉ層９４の厚みを調整することができる。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明のイオン注入装置及びイオン注入方法によれば、イオン源中のプラズマ密度をほとんど変化させずに、また、引出電極によるイオンビームの収束効果を損なわずに、イオンの有効引出面積を増大させることができるので、低エネルギーのイオンを引き出す場合であってもビーム電流が高められ、高水準のスループットが実現可能となる。
【００７７】
また、本発明のＳＯＩウェハの製造方法によれば、イオン注入工程の際に上記本発明のイオン注入方法を適用することで高水準のスループットが実現可能となり、高集積化等の点で優れたＳＯＩウェハを効率よく且つ確実に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のイオン注入装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】図１に示したイオン注入装置が備えるイオン引出アセンブリ１００の概略構成を示す断面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）はそれぞれイオンビームが形成されるときのイオン源及び引出電極の位置関係、並びに各イオンビームの光路を示す概念図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図である。
【図４】ソレノイドコイルにより形成される磁場の方向とイオンの引出方向との関係を示す概念図である。
【図５】永久磁石により形成される磁場の方向とイオンの引出方向との関係を示す概念図である。
【図６】電磁石により形成される磁場の方向とイオンの引出方向との関係を示す概念図である。
【図７】マイクロ波イオン源の一例を示す概略構成図である。
【図８】図７に示したマイクロ波イオン源のソースヘッドをマイクロ波の導入路を含む平面で切断したときの断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ各工程におけるウエハの積層構造を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１００…イオン引出アセンブリ、１３０…イオン質量セレクタ、１３１…質量選択スリット、１３２…磁気セクタ質量分析器、１４０…ターゲット基板、１４１…ターゲット基板ホルダ、３…ソースチャンバ、４…ターボポンプ、５…イオン源、６…ソレノイドコイル、７…引出電極系、８…主電極、９…接地電極、１２、１４…電極本体、１０ａ、１０ｂ、１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂ…スリット、１５…取付プレート、１７…ボンベ、２１…マグネトロン、２２…マグネトロンマウント、２３…サーキュレータ、２４…ダミーロード、２５…パワーモニタ、２６…スタブチューナ、２７…インターフェースチューブ、２８…ソースヘッド、２９…プラズマチャンバ、３１…ソースチャンバ、３２…ソースブッシング、３３…マグネットヨーク、３４…出口側プレート、３５…マグネットポール、３６…導波管、３７…プラズマ生成領域、３８…ソレノイドコイル、５０…永久磁石、６０…電磁石、６１…心材、６２…ソレノイドコイル、９１、９５…Ｓｉ基板、９２…ＳｉＯ_２層、９３…水素イオン注入層、９４…Ｓｉ層、ＩＢ…イオンビーム、ＭＷ…マイクロ波。

Claims

所定ガスを励起して所定イオンを含むプラズマを生成させるイオン源と、前記イオン源から前記イオンを引き出してイオンビームを発生させる引出電極と、前記イオンビームを所定磁場に導入して該イオンビームから半導体基板に注入するイオンを選択する質量分析器と、を備えるイオン注入装置において、
前記イオン源には前記イオンが引き出される複数のスリットが該スリットの短軸方向に沿って相互に並列となるように形成されており、前記引出電極には前記イオン源の各スリットに対応する複数のスリットが該スリットの短軸方向に沿って相互に並列となるように形成されていることを特徴とするイオン注入装置。
前記イオン源及び前記引出電極が有する複数のスリットの長軸方向が前記質量分析器の偏向面に対して垂直であることを特徴とする、請求項１に記載のイオン注入装置。
前記引出電極は、互いに対向配置された主電極及び接地電極からなり、前記主電極に複数のスリットが形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のイオン注入装置。
前記引出電極は、前記イオンを引出エネルギー１０ｋｅＶ以下で引き出すものであることを特徴とする、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載のイオン注入装置。
前記イオンの引出方向に沿って磁場を形成する磁石をさらに備えることを特徴とする、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載のイオン注入装置。
イオン源において所定ガスを励起して所定イオンを含むプラズマを生成させる工程と、引出電極により前記イオン源からイオンを引き出してイオンビームを発生させる工程と、質量分析器において前記イオンビームを所定磁場に導入して該イオンビームから半導体基板に注入するイオンを選択する工程と、を有するイオン注入方法において、
前記イオン源として複数のスリットが該スリットの短軸方向に沿って相互に並列となるように形成されたものを、前記引出電極として前記イオン源の各スリットに対応する複数のスリットが相互に並列となるように形成されたものをそれぞれ用い、
前記イオン源に形成された各スリットから発生するイオンビームを、前記引出電極に形成された前記イオン源の各スリットに対応するスリットを通して前記質量分析器に導入することを特徴とするイオン注入方法。
前記引出電極により前記イオンを引出エネルギー１０ｋｅＶ以下で引き出すことを特徴とする、請求項６に記載のイオン注入方法。
前記イオンの引出方向に沿って磁場を形成することを特徴とする、請求項７又は８に記載のイオン注入方法。
Ｓｉ基板の一方面上に絶縁層を有する第１のウェハの所定深さに水素イオン注入層を形成するイオン注入工程と、前記イオン注入工程後の前記第１のウェハの前記絶縁層上にＳｉ基板からなる第２のウェハを積層して積層体を得る積層工程と、前記積層体を前記水素イオン注入層で分断する分断工程と、を有するＳＯＩウェハの製造方法であって、
前記イオン注入工程において、請求項６〜８のうちのいずれか一項に記載のイオン注入方法により前記水素イオン注入層を形成することを特徴とするＳＯＩウェハの製造方法。