JP2006302528A - イオン注入装置及びイオン注入方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 マスクとウェハの熱膨張によるイオン注入位置精度誤差が所定の範囲内となるようにすることで、イオン注入の位置精度を向上したイオン注入装置を提供する。
【解決手段】 イオン注入装置において、マスク２０の温度を測定するマスク温度計１１と、マスク２０の温度を制御するマスク加熱冷却システム１３と、ウェハ３０の温度を測定するウェハ温度計１３と、ウェハ３０の温度を制御するウェハ加熱冷却システム１４と、マスク２０とウェハ３０との温度差と、熱膨張によるイオン注入位置精度誤差との特性関係が記憶されるとともに、マスク加熱冷却システム１３及びウェハ加熱冷却システム１４をコントロールする加熱冷却コントローラー１５とを具備した温度管理制御機構を設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、イオン注入装置及びイオン注入方法に係り、特に、前記マスクと前記基板の熱膨張によるイオン注入位置精度誤差が所定の範囲内となるようにすることで、イオン注入の位置精度を向上したイオン注入装置及びイオン注入方法の改良に関する。

従来のイオン注入装置の一例として、特許文献１に記載されたイオン注入装置について、図４を用いて説明する。
図４は、従来のイオン注入装置の全体構成を示す斜視図であり、特許文献１に開示されている図１に対応するものである。

図４に示すように、従来のイオン注入装置１００の主要構成は、イオンを生成するイオン源１１０、イオン照射光学系１２０、ステンシルマスク１３０、イオン投射光学系１４０、試料ステージ１５０、制御装置１４２、表示装置１４４である。
また、イオン源ステージ駆動装置１１２及びマスクステージ駆動装置１３２は、制御装置１４２によりコントロールされ、所定のパターンに対し、所望のイオン源を動作させるなどの制御を行う。

特許文献１のイオン注入装置１００の特徴は、複数のステンシルマスク１３０を有し、この複数のステンシルマスク１３０から特定のステンシルマスク１３０を選択し、このステンシルマスク１３０に対応して、複数のドーパントイオン種から特定のドーパントイオン種を選択して試料に注入する工程を複数回施せるようにしたことである。

特開平８−２１３３３９号

以下、従来のイオン注入装置の問題点を図５乃至図８を用いて説明する。
図５は、従来のイオン注入装置の問題点を説明するため、マスクと基板近傍におけるイオンビームの注入の状態を示す斜視図である。
図６乃至図８は、従来のイオン注入装置の問題点を説明するため、イオン注入位置エラーを含む基板の平面図である。

例えば、図５に示すように、ステンシルマスク等の開口パターンを有するマスク１３０を透過したイオンビームを半導体ウェハ等の基板１５２に注入する場合、マスクパターンが基板１５２にそのまま注入され、注入位置精度誤差が無いことが望ましい。
しかし、以下述べるような種々の要因により、注入位置精度誤差が生じてしまう。

先ず、第１に、図６に示すようなシフト（Ｓｈｉｆｔ）と呼ばれるマスクパターンが所定の方向に変移し、イオン注入位置精度誤差が生じてしまうケースである。
次に、第２に、図７に示すようなローテ（Ｒｏｔａｔｉｏｎ）と呼ばれるマスクパターンが所定の回転角度回転してイオン注入位置精度誤差が生じてしまうケースである。

そして、第３に、図８に示すようなマグ（Ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ）と呼ばれるマスク１３０と基板１５２との熱膨張の相違によってイオン注入位置精度誤差が生じてしまうケースである。
これは、マスク１３０や基板１５２には高エネルギーのイオンが注入されるため、マスク１３０のイオン遮蔽部に照射されたイオンや、マスク１３０の開口パターンを透過して基板１５２に照射されたイオンにより、マスク１３０及び基板１５２が加熱され、マスク１３０及び基板１５２の熱膨張の違いによって発生する位置精度誤差である。

ところで、上述した、シフト及びローテは、マスク１３０と基板１５２との設置誤差であり、マスク１３０と基板１５２とのアライメント精度を向上させることにより解決することが可能である。
また、マグについても、マスク１３０及び基板１５２との温度を制御をすることにより、ある程度位置精度誤差を縮小できるが、一層精密な位置精度でイオンを注入するには、次のような理由により非常に困難である。

先ず、マスク１３０と基板１５２とが異なる材質で構成されている場合は、線膨張係数が異なり、この線膨張係数の相違を考慮しなければならない。
また、マスク１３０と基板１５２との線膨張係数の相違を考慮した温度制御を行ったり、または、マスク１３０と基板１５２とを同じ材質で構成し線膨張係数を同一としたとしても、マスク１３０は所定の開口パターンを有し、熱膨張による形状の変化が等方的ではない。

また、マスクを製作する工程において、マスク１３０に歪みや残留応力が加えられており、この歪みや残留応力により、熱膨張による形状の変化がやはり等方的ではなく、必ずしも基板１５２と同一の形状で熱膨張しない。

従って、従来のイオン注入装置では、マグによるイオン注入の位置精度の向上に関しては不可避的に限定されてしまうという問題を備え、次世代の高精度イオン注入装置を達成する障害となっていた。

本発明は、上記従来の課題を解決し、マスクと基板の熱膨張によるイオン注入位置精度誤差が所定の範囲内となるようにすることで、イオン注入の位置精度を大幅に向上したイオン注入装置及びイオン注入方法を提供することを目的とする。

本発明のイオン注入装置は、請求項１に記載のものでは、開口パターンを有するマスクを保持する機構を持ち、前記マスクの開口部を通して所望のエネルギーに加速されたイオンを半導体ウェハ等の基板に注入するイオン注入装置において、
前記マスクのマスク温度を測定するマスク温度測定部と、前記基板の基板温度を測定する基板温度測定部とを、具備する構成とした。

請求項２に記載のイオン注入装置は、前記マスクのマスク温度を調整するマスク温度調整部と、前記基板の基板温度を調整する基板温度調整部を具備する構成とした。

請求項３に記載のイオン注入装置は、前記マスク温度と前記基板温度が所望の温度になるように前期マスク温度調整部と前記基板温度調整部を制御する温度管理制御機構を具備する構成とした。

請求項４に記載のイオン注入装置は、前記温度管理制御機構には、予め前記マスク温度と前記基板温度に対する前記マスクと前記処理基板に生じる位置精度誤差との特性関係を記憶する記憶部と、前記マスク温度測定部によって測定された前記マスク温度と前記基板温度測定部によって測定された前記基板温度と前記記憶部によって記憶された前記特性関係によって前記マスク温度制御部への制御命令と前記基板温度制御部への制御命令を演算する演算部とを具備する構成とした。

請求項５に記載のイオン注入方法は、開口パターンを有するマスクを通して処理基板に所望のイオンを注入するイオン注入方法において、前記マスクのマスク温度と前記処理基板の基板温度を測定する構成とした。

請求項６に記載のイオン注入方法は、前記マスク温度と前記基板温度を調整するステップを含む構成とした。

請求項７に記載のイオン注入方法は、前記マスク温度と前記基板温度を調整するステップが、前記マスク温度が予め設定された温度領域より高い場合には前記マスクを冷却し前記マスク温度が予め設定された温度領域よりも高い場合には前記マスクを加熱することと、前記基板温度が予め設定された温度領域よりも高い場合には前記基板を冷却し前記基板温度が予め設定された温度領域よりも低い場合には前記基板を加熱することの、いずれか一方または両方を実施する構成とした。

請求項８に記載のイオン注入方法は、前記マスク温度と前記基板温度を調整するステップは、前記マスク温度と前記基板温度の差が予め設定された温度領域よりも高い場合には前記マスクを冷却することと前記基板を加熱することのいずれか一方または両方を実施し、前記マスク温度と前記基板温度の差が予め設定された温度領域よりも低い場合には前記マスクを加熱することと前記基板を冷却することのいずれか一方または両方を実施する構成とした。

本発明のイオン注入装置は、上述のように構成したために、以下のような優れた効果を有する。
（１）請求項１に記載したように構成すると、マスクと基板の温度測定が可能になり、イオン注入の位置精度を向上したイオン注入装置とすることができる。

（２）請求項２に記載したように構成すると、マスクと基板の温度測定及び温度調整が可能になり、マスクと基板の熱膨張によるイオン注入位置精度誤差を抑え、イオン注入の位置精度を向上したイオン注入装置とすることができる。

（３）請求項３に記載したように構成すると、マスクと基板の温度管理及び温度制御が可能になり、マスクと基板の熱膨張によるイオン注入位置精度誤差を抑え、イオン注入の位置精度を向上したイオン注入装置とすることができる。

（４）請求項４に記載したように構成すると、常時、マスクと基板の熱膨張によるイオン注入位置精度誤差が所定の範囲内となるようにすることで、イオン注入の位置精度を飛躍的に向上したイオン注入装置とすることができる。

本発明のイオン注入方法は、上述のように構成したために、以下のような優れた効果を有する。
（１）請求項５に記載したように構成すると、マスクと基板の温度測定が可能になり、イオン注入の位置精度を向上したイオン注入装置とすることができる。

（２）請求項６に記載したように構成すると、マスクと基板の温度調整が可能になり、マスクと基板の熱膨張によるイオン注入位置精度誤差を抑え、イオン注入の位置精度を向上したイオン注入装置とすることができる。

（３）請求項７に記載したように構成すると、マスクと基板の温度を所望の設定値に近づけることができるため、マスクと基板の熱膨張によるイオン注入位置精度誤差を抑え、イオン注入の位置精度を大幅に向上したイオン注入装置とすることができる。

（４）請求項８に記載したように構成すると、マスクと基板の温度差を所望の設定範囲に近づけることができるため、マスクと基板の熱膨張によるイオン注入位置精度誤差を抑え、イオン注入の位置精度を大幅に向上したイオン注入装置とすることができる。

以下、本発明のイオン注入装置の一実施の形態を図１乃至図３を用いて説明する。
図１は、本発明のイオン注入装置の主要構成を示すブロック図である。
図２は、本発明のイオン注入装置の基本動作を説明するフローチャートである。
図３は、本発明のイオン注入装置に用いられるマスクと基板との温度差と、熱膨張による位置精度誤差であるマグとの関係を示す実測した特性図である。

先ず、本発明イオン注入装置の特徴は、従来のイオン注入装置において、マスク及び基板の温度管理制御機構を付加したことであるので、以下、この温度管理制御機構を中心に説明する。
また、以下の実施の形態では、マスクとしては開口パターンを有するステンシルマスク（単に、「マスク」とのみいう場合がある）、基板としては半導体ウェハ（単に、「ウェハ」とのみいう）を用いたもので説明する。

この温度管理制御機構１０は、ステンシルマスク２０の温度を測定するマスク温度計１１と、マスク２０の温度を制御するマスク加熱冷却システム１３と、ウェハ３０の温度を測定する基板温度計１２と、基板３０の温度を制御する基板加熱冷却システム１４とを備えている。

上述したように、ステンシルマスク２０は、開口パターンを有すること、及び、製造段階での歪みや残留応力等により、マスク２０の素材による線膨張係数に比例して等方的に熱膨張するとは限らない。
そこで、図３に示すように、本実施の形態の温度管理制御機構１０は、マスク２０とウェハ３０の温度差と熱膨張による位置精度誤差であるマグ成分との特性関係を予め測定しておき、その実測データを記憶させておくとともに、ステンシルマスク加熱冷却システム（図１、図２中ＣＳ１）１３と、ウェハ３０の温度を制御するウェハ加熱冷却システム（図１、図２中ＣＳ２）１４を制御する加熱冷却コントローラー１５（以下、単に「コントローラ」とのみいう場合がある）を具備している。
なお、図１、図３において、紙面左右方向をＸ軸、紙面上下方向をＹ軸と設定し、図３では、それぞれ変数をｘ、ｙとしている。

以上の構成で、次に、本発明のイオン注入装置の基本動作を図１及び図２を用いて説明する。
本発明のイオン注入装置では、ウェハ３０へのイオン注入開始後、上記した温度管理制御機構１０により、マスク２０及びウェハ３０の温度管理及び制御も開始する。

即ち、先ず、図２に示すように、マスク２０の温度Ｔｃ１とウェハ３０の温度Ｔｃ２をマスク温度計１１及びウェハ温度計１２により測定する（ＳＴ１）。
次に、マスク２０の温度Ｔｃ１からウェハ３０の温度Ｔｃ２を差し引くことで、温度差Ｔｒを算出する（ＳＴ２）。

このとき、マスク２０の温度Ｔｃ１、ウェハ３０の温度Ｔｃ２、温度差Ｔｒの関係が、Ｔｃ１≦Ｔｒ≦Ｔｃ２の場合、即ち温度差Ｔｒがマスク２０の温度Ｔｃ１、ウェハ３０の温度Ｔｃ２の範囲内である場合は、マスク２０の温度を制御するステンシルマスク加熱冷却システム１３、及び、ウェハ３０の温度を制御するウェハ加熱冷却システム１４の加熱冷却状況を維持する（ＳＴ５）。

一方、マスク２０の温度Ｔｃ１、温度差Ｔｒの関係が、Ｔｒ＜Ｔｃ１の場合、即ち温度差Ｔｒがマスク２０の温度Ｔｃ１よりも小さい場合は、マスク２０をマスク加熱冷却システム１３により加熱し、ウェハ３０をウェハ加熱冷却システム１４により冷却する（ＳＴ３）。
この温度制御後、再度、マスク２０の温度Ｔｃ１とウェハ３０の温度Ｔｃ２を測定し（ＳＴ１）、温度差Ｔｒがマスク２０の温度Ｔｃ１、ウェハ３０の温度Ｔｃ２の範囲内に収まるまでこの温度制御を繰り返す。

同様に、ウェハ３０の温度Ｔｃ２、温度差Ｔｒの関係が、Ｔｃ２＜Ｔｒの場合、即ち温度差Ｔｒがウェハ３０の温度Ｔｃ２よりも大きい場合は、マスク２０をマスク加熱冷却システム１３により冷却し、ウェハ３０をウェハ加熱冷却システム１４により加熱する（ＳＴ４）。
この温度制御後、再度、マスク２０の温度Ｔｃ１とウェハ３０の温度Ｔｃ２を測定し（ＳＴ１）、温度差Ｔｒがマスク２０の温度Ｔｃ１、ウェハ３０の温度Ｔｃ２の範囲内に収まるまでこの温度制御を繰り返す。

即ち、本実施の形態のイオン注入装置における温度管理制御機構を用いれば、このマスク２０及びウェハ３０の温度制御を適宜繰り返すことにより、マスク２０の温度Ｔｃ１とウェハ３０の温度Ｔｃ２の温度差Ｔｒの関係を、常時所望の範囲に納めることが可能になる。

この時の温度差Ｔｒは、コントローラー１５に記憶された図３に示す予め測定されている特性曲線よりマグが最小となるような数値を選択し、また、マスク２０及びウェハ３０温度制御も当該コントローラー１５により行われる。

即ち、本実施の形態のイオン注入装置によると、実測データに基づいて、熱膨張によるイオン注入精度誤差であるマグが所望の範囲内となるように制御できるので、イオン注入の位置精度が従来のものに比較して飛躍的に向上させることが可能になる。

本発明のイオン注入装置は、上記実施の形態の限定されず種々の変更が可能である。
例えば、上記実施の形態では、マスクとしてステンシルマスク、基板としてウェハのもので説明したが、これらのものに限定されず、種々のマスク、基板に対応可能であることは勿論のことである。

本発明のイオン注入装置の主要構成を示すブロック図である。 本発明のイオン注入装置の基本動作を説明するフローチャートである。 本発明のイオン注入装置に用いられるマスクとウェハとの温度差と、熱膨張による位置精度誤差であるマグとの関係を示す実測した特性図である。 従来のイオン注入装置の全体構成を示す斜視図である。 従来のイオン注入装置の問題点を説明するため、マスクと基板近傍におけるイオンビームの注入の状態を示す斜視図である。 従来のイオン注入装置の問題点を説明するため、イオン注入位置エラーを含む基板の平面図である。 従来のイオン注入装置の問題点を説明するため、イオン注入位置エラーを含む基板の平面図である。 従来のイオン注入装置の問題点を説明するため、イオン注入位置エラーを含む基板の平面図である。

符号の説明

１０：温度管理制御機構
１１：マスク温度計
１２：ウェハ温度計（基板温度計）
１３：ステンシルマスク加熱冷却システム（マスク加熱冷却装置）
１４：ウェハ加熱冷却システム（基板加熱冷却装置）
１５：加熱冷却コントローラー
２０：ステンシルマスク（マスク）
３０：ウェハ（基板）

Claims (8)

1. 開口パターンを有するマスクを保持する機構を持ち、前記マスクの開口部を通して所望のエネルギーに加速されたイオンを半導体ウェハ等の基板に注入するイオン注入装置において、
   前記マスクのマスク温度を測定するマスク温度測定部と、
   前記基板の基板温度を測定する基板温度測定部とを、具備することを特徴とするイオン注入装置。
2. 前記マスクのマスク温度を調整するマスク温度調整部と、
   前記基板の基板温度を調整する基板温度調整部を具備することを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
3. 前記マスク温度と前記基板温度が所望の温度になるように前期マスク温度調整部と前記基板温度調整部を制御する温度管理制御機構を具備することを特徴とする請求項２に記載のイオン注入装置。
4. 前記温度管理制御機構には、
   予め前記マスク温度と前記基板温度に対する前記マスクと前記処理基板に生じる位置精度誤差との特性関係を記憶する記憶部と、
   前記マスク温度測定部によって測定された前記マスク温度と前記基板温度測定部によって測定された前記基板温度と前記記憶部によって記憶された前記特性関係によって前記マスク温度制御部への制御命令と前記基板温度制御部への制御命令を演算する演算部とを具備することを特徴とする請求項３に記載のイオン注入装置。
5. 開口パターンを有するマスクを通して処理基板に所望のイオンを注入するイオン注入方法において、
   前記マスクのマスク温度と前記処理基板の基板温度を測定することを特徴とするイオン注入方法。
6. 前記マスク温度と前記基板温度を調整するステップを含むことを特徴とする請求項５に記載のイオン注入方法。
7. 前記マスク温度と前記基板温度を調整するステップが、
   前記マスク温度が予め設定された温度領域より高い場合には前記マスクを冷却し前記マスク温度が予め設定された温度領域よりも高い場合には前記マスクを加熱することと、前記基板温度が予め設定された温度領域よりも高い場合には前記基板を冷却し前記基板温度が予め設定された温度領域よりも低い場合には前記基板を加熱することの、いずれか一方または両方を実施することである請求項６に記載のイオン注入方法。
8. 前記マスク温度と前記基板温度を調整するステップは、
   前記マスク温度と前記基板温度の差が予め設定された温度領域よりも高い場合には前記マスクを冷却することと前記基板を加熱することのいずれか一方または両方を実施し、
   前記マスク温度と前記基板温度の差が予め設定された温度領域よりも低い場合には前記マスクを加熱することと前記基板を冷却することのいずれか一方または両方を実施することである請求項６に記載のイオン注入方法。

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