JP2009129864A - イオン注入装置およびこれを備える半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体の品質に悪影響を与えることなく、簡単な構造で、効率よくかつ高い精度でイオンビーム照射角度の調整を行うことができるイオン注入装置およびこれを備える半導体製造装置を提供することである。
【解決手段】 イオン注入装置は、イオンビーム照射部と、遮断板と、イオン量測定部と、照射角度変更部とを含んで構成される。イオンビーム照射部は、イオンビームを形成し、基板を保持する基板保持部に向けて前記イオンビームを照射する。遮断板は、基板保持部に保持される基板の位置よりも前記イオンビームのイオンの流れ方向上流側の予め定める位置に設置可能である。遮断板には、貫通孔が形成される。貫通孔は、遮断板が前記予め定める位置に設置された状態において、予め定める方向の軸線を有する。遮断板は、前記イオンビームの少なくとも一部を遮断する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基板にイオンを注入するイオン注入装置およびこれを備える半導体製造装置に関する。

図９は、第１の従来技術に係るイオン注入装置において使用されるテープ１の平面図である。第１の従来技術においては、イオンビームの方向を調整するとき、回転ディスク式ウエハホルダの回転中心から半径方向外方にかけてテープ１を貼り、イオンビームを照射する。イオンビームを照射するときには、イオン注入を行うチャンバ内は真空引きされ、真空に維持される。テープ１は粘着層によって回転ディスク式ウエハホルダまたは回転ディスク式ウエハホルダに保持されたダミーウエハに固着される。テープ１は、イオンビームが照射されると、変色する性質を有し、イオンビーム照射によって変色した変色領域２が形成される。

図１０は、第１の従来技術に係るイオン注入装置を用いたイオンビームの照射角度の調整方法の工程を表すフローチャートである。本処理開始後、ステップｂ１の第１工程に移行し、イオンビームを最大出力とする調整を行う。次にステップｂ２の第２工程に移行し、ディスクにテープ１を貼り付ける。次にステップｂ３の第３工程に移行し、イオンビームを最も外方に照射してスキャンマックスに照射する。次にステップｂ４の第４工程に移行し、予め定めるＤＡＣ値６８６、９３５および１１９８の出射位置においてそれぞれ１０秒間のイオンビーム照射を行う。次にステップｂ５の第５工程に移行し、イオン注入を行うチャンバの大気開放を行い、テープ１の変色領域２の中心位置３を特定することによって、イオンビームが照射される位置を特定する。

次にステップｂ６の第６工程に移行し、イオンビームの照射角度の良否を判定する。イオンビームの照射角度が不良と判定された場合には、ステップｂ７の第７工程に移行し、イオンビームの角度を調整する角度補正電磁石のパラメータを調整し、再び真空引きし、イオンビームの照射角度を調整する。次にステップｂ２の第２工程〜ステップｂ６の第６工程を繰返す。ステップｂ６の第６工程でイオンビームの照射角度が不良と判定される間、ステップｂ２の第２工程〜ステップｂ６の第６工程を繰返す。ステップｂ６の第６工程においてイオンビームの照射角度が良と判定された場合には、本処理を終了する。

第２の従来技術に係るイオン注入装置として、可動式のビーム電流センサを設け、これによって、イオンビームの方向を調整する装置が知られる。ビーム電流センサには、感知孔が形成され、ビーム電流センサでイオンビームを感知し、感知したイオンビームの位置を特定することによって、テープ１を使用することなくイオンビームの照射角度が調整される（たとえば特許文献１参照）。

第３の従来技術に係るイオン注入装置として、ビーム分割スリットと、可動式ファラデーカップとを備え、イオンビームの照射角度を調整する装置が知られる。第３の従来技術に係るイオン注入装置では、ビーム分割スリットを透過したイオンビームの電気量と位置とを、可動式ファラデーカップによって計測することによって、イオンビームの照射角度の調整を行う（たとえば特許文献２参照）。

特表２００３−５０４８２０号公報 特開２００５−３５３５３７号公報

第１の従来技術では、テープ１を配置し、イオンビームを照射し、テープ１の変色領域２の中心位置３を特定し、イオンビームの照射角度を調整し、再びテープ１を配置することを繰返す。この繰返しのたびにイオン注入装置の大気開放と真空引きとを行わなければならない。したがって、第１の従来技術では、調整に時間がかかり、非効率的であるという問題点がある。またテープ１からの不要なガスの放出、粉塵の放出などが発生するおそれがあるという問題点がある。またこれによって、半導体の品質への悪影響が懸念されるという問題点がある。

第２および第３の従来技術では、イオンビームを感知し、感知したイオンビームの位置を特定するために可動式のセンサを設ける必要があり、イオン注入装置の構造を簡素化できないという問題点がある。

本発明の目的は、半導体の品質に悪影響を与えることなく、簡単な構造で、効率よくかつ高い精度でイオンビーム照射角度の調整を行うことができるイオン注入装置およびこれを備える半導体製造装置を提供することである。

本発明は、気相中でイオンを発生させ、発生したイオンを加速することによってイオンビームを形成し、基板を保持する基板保持部に向けて前記イオンビームを照射するイオンビーム照射部と、
前記基板保持部に保持される基板の位置よりも前記イオンビームのイオンの流れ方向上流側の予め定める位置に設置可能であり、前記予め定める位置に設置された状態において、予め定める方向の軸線を有する貫通孔が形成され、前記イオンビームの少なくとも一部を遮断する遮断板と、
前記イオンビームに含まれるイオンのうち単位時間に前記貫通孔を通過したイオンの量を測定し、測定結果を出力するイオン量測定部と、
前記基板保持部に対する前記イオンビームの角度を変化させる照射角度変更部とを含むことを特徴とするイオン注入装置である。

本発明に従えば、イオン注入装置は、イオンビーム照射部と、遮断板と、イオン量測定部と、照射角度変更部とを含んで構成される。イオンビーム照射部は、気相中でイオンを発生させ、発生したイオンを加速することによってイオンビームを形成し、基板を保持する基板保持部に向けて前記イオンビームを照射する。遮断板は、基板保持部に保持される基板の位置よりも前記イオンビームのイオンの流れ方向上流側の予め定める位置に設置可能である。遮断板には、貫通孔が形成される。貫通孔は、遮断板が前記予め定める位置に設置された状態において、予め定める方向の軸線を有する。遮断板は、前記イオンビームの少なくとも一部を遮断する。イオン量測定部は、イオンビームに含まれるイオンのうち単位時間に貫通孔を通過したイオンの量を測定し、測定結果を出力する。照射角度変更部は、基板保持部に対するイオンビームの角度を変化させる。

また本発明は、前記イオン注入装置を備えることを特徴とする半導体製造装置である。
また本発明に従えば、半導体製造装置は、イオンビーム照射部と、遮断板と、イオン量測定部と、照射角度変更部とを含むイオン注入装置を備える。

本発明によれば、半導体の品質に悪影響を与えることなく、簡単な構造で、効率よくかつ高い精度でイオンビーム照射角度の調整を行うことができるイオン注入装置およびこれを備える半導体製造装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態について説明する。
図１及び図２は、本発明の一実施形態に係るイオン注入装置１０の構成を表す図である。本実施形態に係るイオン注入装置１０は、基板にイオンを注入する装置であり、本実施形態において、基板は、半導体基板である。半導体製造装置１１は、イオン注入装置１０を含んで構成され、不純物を含む不純物含有層を半導体基板に形成する装置である。

本実施形態に係るイオン注入装置１０は、イオンビーム照射部１２と、照射角度変更部１３と、遮断板１４と、イオン量測定部１７とを含んで構成される。イオンビーム照射部１２は、気相中でイオンを発生させ、発生したイオンを加速することによってイオンビームを形成し、基板を保持する基板保持部に向けて前記イオンビームを照射する。遮断板１４は、基板保持部に保持される基板の位置よりも前記イオンビームのイオンの流れ方向上流側の予め定める位置に設置可能である。遮断板１４には、貫通孔１６が形成される。貫通孔１６は、遮断板１４が前記予め定める位置に設置された状態において、予め定める方向の軸線を有する。遮断板１４は、前記イオンビームの少なくとも一部を遮断する。イオン量測定部１７は、イオンビームに含まれるイオンのうち単位時間に貫通孔１６を通過したイオンの量を測定し、測定結果を出力する。照射角度変更部１３は、基板保持部に対するイオンビームの角度を変化させる。

本実施形態において、半導体基板は、平板状のシリコンウエハである。半導体基板をその厚み方向に見ると、円形に形成される。半導体基板の大きさは、複数種類あり、本実施形態で半導体基板の円の外径は１２５ミリメートル（millimeters, 略号「ｍｍ」）である。イオン注入が行われる前の段階において、半導体基板は、真性半導体である。これにたとえばホウ化物イオン（化学記号「Ｂ^＋」）、リン化物イオン（化学記号「Ｐ^＋」）などのイオンを不純物として注入することによって、半導体を形成する。たとえばＢ^＋を注入した場合には、真性半導体からｐ型半導体層を形成することができ、たとえばＰ^＋を注入した場合には、真性半導体からはｎ型半導体層を形成することができる。イオン注入を、行う前の真性半導体である段階においても、またイオン注入が行われた後の段階においても、本実施形態において基板を「半導体基板」と称する。

他の実施形態において、半導体基板は、厚み方向の軸線まわりの角変位の角度を明確にするために、Ｄ字形状に形成されてもよい。その場合、円形の基板の一部は、円の弦と厚み方向の直線とを含む平面に沿って切断される。分割された半導体基板の２つの部分は、一方が他方よりも大きく、一方の大きい部分を半導体の製造に用いる。小さい方は半導体の製造には利用しないので、厚み方向の軸線まわりの、半導体基板の角変位の角度を容易に検出できる範囲内で、前記小さい方は可及的に小さく設定される。

半導体基板は、基板保持部に保持される。基板保持部は、２つの基板保持体１８を含んで構成される。２つの基板保持体１８は、同一の形状および大きさに形成される。基板保持体１８は、大略的に円柱状に形成される。基板保持体１８は、イオン注入段階において、円柱の軸線まわりに回転駆動される。基板保持体１８の円柱の軸線を「回転軸線」と称し、回転軸線１９の方向を「回転軸線方向」と称する。基板保持体１８の円柱の２つの底面のうち、一方の面はイオンビーム照射部１２に臨んで配置される。回転軸線方向Ｗのうち、基板保持体１８からイオンビーム照射部１２に向かう向きを「回転軸線方向一方」と称し、逆の向きを「回転軸線方向他方」と称する。

基板保持体１８の回転軸線方向Ｗの寸法は、基板保持体１８の円柱の外径よりも小さく設定される。基板保持体１８の回転軸線方向一方Ｗ１の端面部には、半導体基板を保持するための凹所２０が形成される。本実施形態において凹所２０は、複数形成され、複数の凹所２０は、回転軸線１９を中心に周方向に等間隔に並ぶ。具体的には、９つ形成される。基板保持体１８のうち、凹所２０を規定する部分を「凹部」と称する。換言すれば、凹所２０は、凹部によって規定される内部空間である。凹所２０は、円柱状に形成される。凹所２０の円柱の軸線方向は、回転軸線方向Ｗに一致する。凹部の内径は、半導体基板の円の外径とほぼ同じに、かつ半導体基板の円の外径よりもわずかに大きく設定される。

半導体基板がＤ字形状に形成される場合には、凹所２０の形状を、半導体基板の形状に対応させてＤ字形状に形成してもよい。凹部の内径は、基板保持体１８の円柱の外径よりも小さく設定される。回転軸線方向Ｗの凹部の深さ、換言すれば、凹所２０の回転軸線方向Ｗの寸法は、基板保持体１８の回転軸線方向Ｗの寸法よりも小さく設定され、半導体基板の厚み以上に設定される。９つの凹所２０は、回転軸線１９まわりの周方向に並び、基板保持体１８が回転軸線１９まわりに４０度角変位すると、各凹所２０は、周方向に隣接していた凹所２０の位置と同じ位置に移動する。換言すれば、基板保持体１８は、９回対称軸を有し、９回対称軸は、回転軸線１９に一致する。

２つの基板保持体１８は、互いに水平に隣り合って配置される。各基板保持体１８の回転軸線１９は、水平に隣り合い、各回転軸線１９の方向は一致する。基板保持体１８の回転軸線方向他方Ｗ２には、基板保持体１８を回転駆動する回転駆動部２１が接続される。回転駆動部２１は、保持体回転軸と、軸受と回転駆動源とを含んで構成される。保持体回転軸は、基板保持体１８の円柱の外径よりも小さい外径を有し、回転軸線方向Ｗに延びる軸線を有する円柱状に形成され、基板保持体１８に対して固定される。基板保持体１８と保持体回転軸とは、一体に形成される。軸受は、保持体回転軸を回転可能に支持する。回転駆動源は、たとえばステップモータを含んで構成され、保持体回転軸に対して機械的に接続され、保持体回転軸を回転軸線１９まわりに回転することによって、基板保持体１８を回転軸線１９まわりに回転させる。

基板保持体１８および保持体回転軸は、アルミニウムまたはアルミニウム合金から形成され、導電性を有する。回転駆動源のうち、保持体回転軸に接触する部分は、絶縁性を有する部材によって形成され、回転駆動源と保持体回転軸とは、電気的に絶縁される。保持体回転軸は、イオン量測定部１７に電気的に接続される。

真性半導体に対して不純物として注入されるイオンは、真性半導体の価電子帯と伝導帯との間に不純物準位を形成するために、真性半導体に注入される。本実施形態において、注入される不純物は、Ｂ^＋であり、真性半導体からｐ型半導体層を形成するために、価電子帯近傍にアクセプタ準位を形成するカチオンである。アクセプタ準位は、価電子帯のうち最もエネルギの高い準位よりもエネルギが高く、伝導帯のうち最もエネルギが低い準位のうち最もエネルギが低い準位よりもエネルギが低い。伝導帯のうち最もエネルギが低い準位と、アクセプタ準位とのエネルギ差は、価電子帯のうち最もエネルギの高い準位とアクセプタ準位とのエネルギ差よりも大きい。Ｂ^＋の原料としては、たとえば常温常圧において無色の気体である三フッ化ホウ素（化学式「ＢＦ_３」）がある。

仮に真性半導体からｎ型半導体層を形成するためには、たとえばリン化物イオン（化学記号「Ｐ^＋」）、ヒ化物イオン（化学記号「Ａｓ^＋」）などを注入する。ｎ型半導体層においては、不純物準位としてドナー準位が形成される。ドナー準位は、価電子帯のうち最もエネルギの高い準位よりもエネルギが高く、伝導帯のうち最もエネルギが低い準位のうち最もエネルギが低い準位よりもエネルギが低い。価電子帯のうち最もエネルギが高い準位とドナー準位とのエネルギ差は、伝導帯のうち最もエネルギが低い準位とドナー準位とのエネルギ差よりも大きい。Ｐ^＋の原料としては、たとえば常温常圧において無色の気体である三フッ化リン（化学式「ＰＦ_３」）、リン化水素（化学式「ＰＨ_３」）などがあり、ヒ化物イオンの原料としては無色の気体であるヒ化水素（化学式「ＡｓＨ_３」）などがある。

イオンビーム照射部１２は、予め定める出射位置でイオンビームを出射する。互いに異なる複数の出射位置で出射されるイオンビームが互いに平行となる状態を理想状態とすると、貫通孔１６の位置は、前記予め定める出射位置で出射されたイオンビームが理想状態において通過する位置に設定される。互いに異なる複数の出射位置で出射されるイオンビームが互いに平行となる状態を「理想状態」と称する。本実施形態において、イオンビーム照射部１２は、イオン発生部２２と、電極と、質量分析器２６と、加減速管２７と、走査器２８とを含んで構成される。

イオン発生部２２は、三フッ化ホウ素の気体を封入したガスボトルなどを含んで構成され、分子と電子とを衝突させることによって、イオンを発生させる部分である。イオン発生部２２は、イオンの流れの最も上流に位置する部分である。電極は、イオン発生部２２の下流側の空間に電界を形成する。電極には、イオンを取出すための開口が形成される。イオン発生部２２で発生したイオンは、電極によって形成された電界の中で１つの向きに加速され、イオンビームとなる。電極で形成された電界によって流れの向きが規定されたイオンは、電極に形成される開口を通過して質量分析器２６に入射する。

質量分析器２６は、本実施形態においては、四重極質量分析器である。四重極質量分析器は、４つの円柱状電極を含んで構成され、４つの電極に囲まれる空間内に直流と交流との電圧によって振動する電界を形成し、この振動に対応して安定な振動を保つイオン粒子のみを取り出して下流側に出射する装置である。イオンの振動の周期はイオンの質量によって異なるので、イオンが４つの電極間の空間内で安定に振動できるか否かは、イオンの質量に依存する。このことを利用して、特定のイオンを予め定める向きに出射する。質量分析器２６から出射されたイオンビームは、加減速管２７に入射する。イオン発生部２２において発生したイオンのうち、所望する種類のイオン以外のイオンは、質量分析器２６において除去される。本実施形態の場合には、Ｂ^＋が加減速管２７に入射し、Ｂ^＋を除く他の種類のイオンは、除去される。

加減速管２７は、質量分析器２６よりも下流の空間に電界を形成し、入射するイオンの運動量を調整する。不純物を半導体基板に深く注入する必要があるときには、加減速管２７で印加する電圧を高くする。加減速管２７から出射されたイオンビームは、走査器２８に入射する。走査器２８は、加減速管２７よりも下流側の空間に磁界を形成することによって、入射するイオンの進行の向きを変化させる。走査器２８で形成される磁界の向きおよび強さの少なくとも一方は、変更可能であり、磁界の向きおよび強さの少なくとも一方を変化させることによって、イオンビームの進行する向きを調整することができる。走査器２８を出射するビームの進行の向きは、複数設定され、走査器２８の磁界を変化させることによって、イオンの進行の向きを、設定される複数の向きのうちの任意の１つの向きとすることが可能である。走査器２８から出射されたイオンビームは、照射角度変更部１３に入射する。

照射角度変更部１３は、角度補正器３２と、角度補正器調整部３３とを含んで構成される。角度補正器３２は、走査器２８よりも下流側の空間に磁界を形成することによって、入射するイオンビームの進行の向きを変化させる。角度補正器３２は、走査器２８から入射する複数の向きのイオンビームを、所定の向きのイオンビームとして出射する。換言すれば、走査器２８から、設定される複数の向きのうち、いずれの向きのイオンビームが角度補正器３２に入射しても、角度補正器３２を通過したイオンビームは、所定の向きに進行する。角度補正器３２の走査器２８に対する相対位置は、角度補正器３２が走査器２８から入射する複数の向きのイオンビームを所定の向きのイオンビームとして出射することができる位置として設定される。

角度補正器３２が形成する磁界は、変更可能であり、角度補正器調整部３３によって調整することによって、変更される。角度補正器調整部３３は、本実施形態においては手動によって角度補正器３２の磁界を変更する操作部である。角度補正器調整部３３を操作し、角度補正器３２が形成する磁界を調整することによって、角度補正器３２通過後のイオンビームの方向は、調整される。角度補正器３２から出射されたイオンビームは、半導体基板に向けて出射される。イオンビームの方向は、イオンの進行方向である。イオンビームの方向を調整することによって、イオンビームの照射角度は調整される。

イオン量測定部１７は、ビーム受容体３４を含む。ビーム受容体３４は、基板保持部に保持され、単位時間当たりに受容したイオンの量を電流に変換する。ビーム受容体３４には受容面３６が形成される。受容面３６は、イオンビームを受容し、理想状態で貫通孔１６を通過したイオンビームが到達する前記受容体上の領域を含む。ビーム受容体３４は、導電性を有する部材によって形成され、アルミニウムまたはアルミニウム合金から形成される。本実施形態においてビーム受容体３４は、半導体基板と同じ形状および大きさに形成される。

ビーム受容体３４に形成される受容面３６は、ビーム受容体３４が基板保持体１８に保持された状態で、ビーム受容体３４の回転方向一方に臨む面である。受容面３６にイオンビームのイオンが到達すると、イオンは、ビーム受容体３４に付着し、酸化または還元されて、電気的に中性な原子または分子となる。ビーム受容体３４は、基板保持体１８に保持された状態で、基板保持体１８と電気的に接続される。本実施形態においてイオンは、カチオンであるので、イオンビームがビーム受容体３４に到達すると、ビーム受容体３４の電位は高くなる。

図２は、本発明の一実施形態におけるファラデー５２とイオン量測定部１７との断面図である。図２において遮断板１４の図示は省略する。イオン量測定部１７は、電流計３８をさらに含んで構成される。基板保持体１８は、導線によって基準電位に保たれる基準電位部に接続される。導線の途中位置には、電流計３８が配置され、電流計３８は、基板保持体１８と基準電位部との間を流れる電流の電流値を測定する。基準電位部は、本実施形態においては接地される。電流計３８が示す電流値は、単位時間当たりにビーム受容体３４に付着するイオンが多ければ多いほど、大きな値を示す。

イオン注入装置１０は、チャンバをさらに含んで構成される。チャンバは、イオンビーム照射部１２と、照射角度変更部１３と、後に詳述する遮断板１４とを外囲する容器であり、内部空間と外部空間とを気密に遮断することができる。イオンビームの照射角度の調整、イオンビームの照射およびイオン注入は、チャンバ内の内部空間を真空にして、チャンバ内において行われる。チャンバには、真空ポンプによって吸引するための開口が形成されており、チャンバの開口を規定する開口部は、耐圧チューブによって真空ポンプに接続される。真空ポンプは、ロータリポンプ、ディフュージョンポンプ、ターボ分子ポンプ、イオンポンプなどの複数のうち、１つまたは複数のポンプであるものとし、複数のポンプは、併用が可能である。

図３は、本発明の一実施形態における走査器２８と、角度補正器３２と、基板保持体１８と、受容体との平面図である。複数の方向に、複数のイオンビームが同時に出射されることはないけれども、設定される複数のイオンビームの進行経路を、仮想的に複数同時に存在する線として表し、複数のイオンビームの進行経路を表す複数の線を「ビームライン」と称する。ビームラインは太さを有し、長手方向に垂直な断面の形状は円形である。各ビームラインの中心の線を「ビームライン軸線」と称する。各ビームライン軸線３９の太さは、限りなく零に近い。複数のビームライン軸線３９のうちの中央の線は、走査器２８よりも上流側から走査器２８の中央部に入射し、走査器２８によって曲げられることなく、走査器２８を通過し、角度補正器３２に入射する。走査器２８によって曲げられることのないビームライン軸線３９を含む仮想的な直線を「基準軸線」と称し、基準軸線４２の方向を「基準方向」と称する。

基準方向Ｘは、回転方向Ｗに対して、わずかに角度を成す。基準方向Ｘと回転方向Ｗとが同一方向であると、照射されたイオンが、真性半導体の原子配列の隙間を通して、所望の深さ以上に深く注入される「チャンネリング」という現象が生じる。基準方向Ｘと回転方向Ｗとが角度を成す設定とすることによって、チャンネリングを防止することができる。

複数のビームラインは基準方向Ｘに垂直な１つの方向に並ぶ。基準方向Ｘに垂直で、複数のビームライン軸線３９に交わる直線の方向を「垂直方向」と称する。本実施形態において、基準方向Ｘおよび垂直方向Ｙは、いずれも水平に設定される。複数のビームラインは、走査器２８から下流側に出て、下流側に向かうにつれて垂直方向Ｙに広がる。基準方向Ｘおよび垂直方向Ｙの両方に直交する方向を「直交方向」と称する。本実施形態において直交方向Ｚは、鉛直である。基準軸線４２と基準軸線４２に交わる直交方向Ｚの一直線とを含む平面を「第１基準面」と称し、基準軸線４２と基準軸線４２に交わる垂直方向Ｙの一直線とを含む平面を「第２基準面」と称する。複数のビームラインの直交方向Ｚの位置は、いずれも上流下流に関して一定である。

角度補正器３２は、４つの電磁石を含んで構成される。４つの電磁石は、第１基準面と第２基準面とによって分割された各空間に位置する。４つの電磁石は、第１基準面を鏡面として面対称であり、かつ第２基準面を鏡面として面対称である。走査器２８よりも下流側のビームライン軸線３９は、第２基準面内を通過し、下流側に向かうにつれて垂直方向Ｙに広がる複数のビームライン軸線３９は、第一基準面に関して面対称である。ビーム受容体３４の受容面３６を含む平面を「受容平面」と称する。基準軸線４２が受容平面に到達する位置を「ニュートラルカップ」と称し、複数のビームライン軸線３９のうち最も垂直方向一方Ｙ１側のビームライン軸線３９が、理想状態において到達する受容平面上の位置を「スキャンマックス」と称する。

ニュートラルカップ４４の位置を零とし、スキャンマックス４６の位置を１５００とし、ニュートラルカップ４４とスキャンマックス４６との間を垂直方向Ｙに１５００に等分して、各位置を数値で表す。これを「ＤＡＣ値」と称する。ＤＡＣ値は、半導体基板および基盤保持部の大きさに関わらず１５００を最大値として設定されるので、半導体基板の外径が異なれば、同一のＤＡＣ値が示す位置は、異なる。

本実施形態において半導体基板の外径は１２５ｍｍであり、ＤＡＣ値が６８６であるビームライン軸線３９が受容平面に到達する位置は、回転軸線１９と受容面３６とが交わる位置から３４６．６ｍｍである。ＤＡＣ値が９３５であるビームライン軸線３９が受容平面に到達する位置は、回転軸線１９と受容面３６とが交わる位置から２８３．２ｍｍである。ＤＡＣ値が１１９８であるビームライン軸線３９が受容平面に到達する位置は、回転軸線１９と受容平面とが交わる位置から２１６．２ｍｍである。

ニュートラルカップ４４とスキャンマックス４６とは、２つの基板保持体１８に対して同様に設定される。換言すれば、ニュートラルカップ４４は１つの位置であり、スキャンマックス４６は、垂直方向Ｙに離れる２つの位置として設定される。ニュートラルカップ４４とスキャンマックス４６との間に設定されるそれぞれのＤＡＣ値のビームライン軸線３９とスキャンマックス４６とは、第１基準面を鏡面として面対称に配置される。

図４は、本発明の一実施形態における走査器２８と、角度補正器３２と、遮断板１４と、ビーム受容体３４と、基盤保持部との断面図である。図５は、本発明の一実施形態における遮断板１４と、ビーム受容体３４との斜視図である。遮断板１４は、大略的に長方形の平板状部材として形成され、厚み方向に貫通する貫通孔１６が形成される。貫通孔１６の軸線方向に見たときの、貫通孔１６の大きさは、イオンビームの流れ方向に垂直なイオンビームの断面よりも小さい。またイオンビーム照射部１２の予め定める出射位置は、３つ以上設定され、貫通孔１６は、前記予め定める３つ以上の出射位置に対応する３つ以上の位置に形成される。

遮断板１４の厚み方向および貫通孔１６の軸線方向は、ともに基準方向Ｘに一致する貫通孔１６は、本実施形態においては３つ形成される。３つの貫通孔１６は、遮断板１４の長方形の長辺方向に並んで形成され、各貫通孔１６は、遮断板１４の短辺方向中央に形成される。遮断板１４の長辺の長さは、ニュートラルカップ４４からスキャンマックスまでの長さよりも長く設定される。遮断板１４は、イオンビームの流れ方向上流側の予め定める位置に設置される状態と、前記予め定める位置から除去された状態とに、随時切換え可能である。遮断板１４がイオンビームの流れ方向上流側の予め定める位置に設置される状態を、遮断板１４の「設置状態」と称し、設置状態における位置から除去された状態を「設置解除状態」と称する。

設置状態において遮断板１４は、ビーム受容体３４の上流側近傍に設置される。遮断板１４の長辺方向は、基準軸線４２の半径方向に一致する。遮断板１４の貫通孔１６は、ニュートラルカップ４４からスキャンマックス４６までの位置のうちの３つの位置に形成され、本実施形態において３つの貫通孔１６は、ＤＡＣ値が６８６の位置と、ＤＡＣ値が９３５の位置と、ＤＡＣ値が１１９８の位置とに形成される。遮断板１４と基盤保持部との距離は、１ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましいけれども、この範囲に限定しない。貫通孔１６の内径は、イオンビームのイオンの流れ方向に垂直な直径の１０％以上２０％以下が好ましい。本実施形態においてイオンビームの直径は、２０〜３０ｍｍであるので、貫通孔１６の内径は、２ｍｍ以上６ｍｍ以下であることが好ましい。

図６は、本発明の第１実施形態におけるイオンビームの流れ方向に垂直な断面中のイオンの量の分布４８を表す図である。イオンビームの流れ方向に垂直な断面の中で、イオンの量は、ガウス分布に従って分布している。断面の中で、単位面積当たりのイオンの量が最も大きい部分が、ビームライン軸線３９に相当する。イオンビームの直径は、ガウス分布に従うイオンビームの断面の中で、ビームライン軸線３９から半径方向の１つの向きに±２σの範囲の断面の直径とする。σはガウス分布の標準偏差を表す。断面の中で半径方向に±２σの範囲内には、断面全体のイオン量のうちおよそ９５％のイオン量が含まれる。

イオンビームの断面の中で断面の中央が最もイオン量の密度が高く、断面の中央から半径方向外方に向かうにつれてイオン量の密度は低くなる。したがって、貫通孔１６の軸線とイオンビームの流れ方向とが一致し、イオンビームの断面の中央を通るイオンの流れ方向の直線と貫通孔１６の軸線とが一致するとき、貫通孔１６を通過するイオン量は最も大きくなる。したがって、貫通孔１６を通過したイオンの量をイオン量測定部１７によって測定し、その大きさが最も大きくなるときのイオンビームの方向を求めることによって、理想状態を求めることができる。

イオンビームの断面の外径に対して、貫通孔１６の内径が大きければ大きいほど、イオンビームの向きの変化に対してイオン量測定部１７が測定した測定結果の変化が小さく、イオンビームのいずれの向きがもっとも理想状態に近い向きであるかどうかを判定しにくくなる。またイオンビームの断面の外径に対して貫通孔１６の内径が小さければ小さいほど、イオンビームの向きの変化に対してイオン量測定部１７の測定結果が大きく変化し、理想状態に近い向きを探し出すこと自体が困難になる。したがって、貫通孔１６の内径の、イオンビームの直径に対する割合は、予め定める範囲であることが好ましい。

イオン注入装置１０は、遮断板１４の状態を設置状態と設置解除状態とに切換える遮断板切換部４９をさらに含んで構成される。遮断板切換部４９のうち、操作部は、人手によって操作され、遮断板切換部４９は、操作部が操作されるによって、その操作内容に応じて遮断版の状態を切換える。遮断板切換部４９は、遮断板１４を機械的に変位させる。操作部は、チャンバよりも外方に設置され、チャンバを大気解放することなく操作することができる。遮断板切換部４９は、人手を駆動源として遮断板１４を変位駆動する構成としてもよく、またステップモータを駆動源として遮断板１４の状態を切換える構成としてもよい。

図７は、本発明の一実施形態におけるファラデー５２と、遮断板１４と、遮断板切換部４９と、ビーム受容体３４と、基盤保持体との断面図である。イオン注入装置１０は、ファラデー５２をさらに含んで構成される。ファラデー５２は、角度補正器３２と基板保持部との間に設置され、角度補正器３２から基板保持部に照射されるイオンビームの一部を受容する。ファラデー５２が受容したイオンは、ファラデー５２と電子を授受し、原子または分子となり、電気的に中性となる。ファラデー５２は、導電性を有する材料、具体的にはアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成される。ファラデー５２は、基準方向Ｘに延びる筒状の部材として形成され、角度補正器３２から基板保持部に向かうイオンビームを外囲して配置される。

ファラデー５２がイオンを受容することによって、ファラデー５２の電位は変化する。本実施形態ではイオンはカチオンであるので、イオンを受容することによって、ファラデー５２の電位は上昇する。ファラデー５２は、電流計３８を介して基準電位部に電気的に接続される。ファラデー５２と基準電位部と間に設置される電流計３８と、ビーム受容体３４と基準電位部との間に配置される電流計３８とは、本実施形態では１つの電流計３８を共用するものとするけれども、他の実施形態では、それぞれ別個に設置される電流計であってもよい。

半導体製造装置１１は、イオンビーム照射部１２と、遮断板１４と、イオン量測定部１７と、照射角度変更部１３とを含むイオン注入装置１０を備える。半導体製造装置１１によって製造される半導体は、たとえばｎ型半導体およびｐ型半導体のうちのいずれか一方または両方である。これは、たとえばバイポーラトランジスタの前駆体であり、たとえば半導体レーザの前駆体である。半導体製造装置１１は、イオン注入装置１０以外に、基板搬送装置、熱処理装置を含んで構成される。２つの基板保持体１８から搬出される半導体基板は、イオン注入装置１０から搬出されて次の工程を行う装置に搬送される。

次の工程は、本実施形態では熱処理装置であり、イオン注入装置１０で注入したイオンを熱拡散させる。これによって、たとえばエミッタ層、ベース層などを、所定の深さに分布させる。熱処理工程は、イオン注入装置１０のチャンバとは異なるチャンバ内で行われ、２つのうち一方の基板保持体１８から搬出された半導体基板が搬入されるチャンバと、他方の基板保持体１８から搬出された半導体基板が搬入されるチャンバとは、異なる構成としてもよいけれども、同一のチャンバとする構成であってもよい。

図８は、本発明の一実施形態に係るイオン注入装置１０を用いたイオンビームの照射角度の調整方法の工程を表すフローチャートである。本処理開始後、ステップａ１のビーム出力調整工程に移行し、イオンビームの出力を最大にする。ビーム出力調整工程では、ファラデー５２によって単位時間当たりに照射されるイオンビームが最大のイオンの量を検出し、イオンビームの出力が安定して最大値を示すための調整を行う。加減速管２７によって形成される電界の強さは、イオンビームが安定する範囲で、任意に設定される。

次にステップａ２の遮断板設置工程に移行し、遮断板１４を設置状態にする。この工程では、遮断板切換部４９の操作部を操作し、遮断板切換部４９に対して遮断板１４の状態を設置状態に切換えさせる。次に、ステップａ３のスキャンマックス調整工程に移行し、イオンビームがスキャンマックス４６に最大出力で照射されるための調整を行う。この工程では、走査器２８および角度補正器３２を調整して、最も垂直方向一方Ｙ１の位置にイオンビームを出射し、スキャンマックス４６に最大の出力で出射する。

次にステップａ４のビーム平行化工程に移行し、走査器２８から異なる出射位置で出射されるイオンビームを、互いに平行とするために調整を行う。具体的には、ＤＡＣ値が６８６の出射位置で出射を行い、このイオンビームのビームライン軸線３９と受容平面との交点を、回転軸線１９と受容平面との交点から３４６．６ｍｍの位置とする調整を行う。次にＤＡＣ値が９３５の出射位置で出射を行い、このイオンビームのビームライン軸線３９と受容平面との交点を、回転軸線１９と受容平面との交点から２８３．２ｍｍの位置とする調整を行う。次にＤＡＣ値が１１９８の出射位置で出射を行い、このイオンビームのビームライン軸線３９と受容平面との交点を、回転軸線１９と受容平面との交点から２１６．２ｍｍの位置とする調整を行う。

次にステップａ５の遮断板設置解除工程に移行し、設置状態であった遮断板１４を設置解除状態に切換える。遮断板切換部４９の操作部を操作し、遮断板切換部４９に対して遮断板１４の状態を設置解除状態に切換えさせる。その後、本処理を終了する。

ステップａ４のビーム平行化工程において、各ＤＡＣ値においてイオンビームはまず遮断板１４の貫通孔１６近傍に照射される。イオンビームのうち貫通孔１６を通過したイオンは、ビーム受容体３４に入射し、その単位時間当たりのイオンの量は電流値として検出される。この状態で、角度補正器調整部３３を調整することによって角度補正器３２の調整を行い、イオン量測定部１７によるイオンの量を最大とする。イオンビームのビームライン軸線３９が貫通孔１６の軸線を通過するとき、イオンビームに含まれるイオンの最大量が貫通孔１６を通過する。したがって、イオンビームの照射角度を、イオン量測定部１７によって測定されるイオンの量が最大値を示す角度に設定することによって、イオンビームの照射角度は理想状態となる。

本実施形態によれば、イオン注入装置１０は、イオンビーム照射部１２と、遮断板１４と、イオン量測定部１７と、照射角度変更部１３とを含んで構成される。イオンビーム照射部１２は、気相中でイオンを発生させ、発生したイオンを加速することによってイオンビームを形成し、基板を保持する基板保持部に向けて前記イオンビームを照射する。遮断板１４は、基板保持部に保持される基板の位置よりも前記イオンビームのイオンの流れ方向上流側の予め定める位置に設置可能である。遮断板１４には、貫通孔１６が形成される。貫通孔１６は、遮断板１４が前記予め定める位置に設置された状態において、予め定める方向の軸線を有する。遮断板１４は、前記イオンビームの少なくとも一部を遮断する。イオン量測定部１７は、イオンビームに含まれるイオンのうち単位時間に貫通孔１６を通過したイオンの量を測定し、測定結果を出力する。照射角度変更部１３は、基板保持部に対するイオンビームの角度を変化させる。

これによって、イオン量測定部１７から出力される測定結果に基づいて、照射角度変更部１３を調整し、単位時間に貫通孔１６を通過したイオンの量を最大にすることができる。これによって、イオンビーム照射部１２から出射されるイオンビームを貫通孔１６の軸線に平行なイオンビームとすることができる。したがって、イオンビームが照射されることによって変色するテープを用いることなく、イオンビームの方向を調整することができる。テープを用いてイオンビームの方向調整を行う従来技術に比べて、イオンビームの方向を調整するときに行われるイオン注入装置１０の大気開放と真空引きとの回数を低減することができる。これによって、イオンビームの方向の調整にかかる時間を短縮することができる。

またテープからの不要な気体の放出および粉塵の発生を防止することができる。したがって、前記テープからの不要な気体および粉塵が、基板に悪影響を与えることを防止することができる。またテープの変色領域を目視によって判定する必要がないので、イオンビームの方向調整を高い精度で行うことができる。イオンビームのイオン量を、そのイオンビームの位置とともに測定する測定器を設ける従来技術に比べて、イオン注入装置１０を簡素化することができる。したがって、イオン注入装置１０の製造にかかる費用を低減することができる。

また本実施形態によれば、イオンビーム照射部１２は、予め定める出射位置でイオンビームを出射する。互いに異なる複数の出射位置で出射されるイオンビームが互いに平行となる状態を理想状態とすると、貫通孔１６の位置は、前記予め定める出射位置で出射されたイオンビームが理想状態において通過する位置に設定される。これによって、前記予め定める出射位置で出射されるイオンビームの方向を、理想状態におけるイオンビームの方向と同一にすることができる。したがって、イオンビーム照射部１２から出射されるイオンビームを、理想状態に近づけることができる。

また本実施形態によれば、イオン量測定部１７は、ビーム受容体３４を含む。ビーム受容体３４は、基板保持部に保持され、単位時間当たりに受容したイオンビームのイオンビーム量を電流に変換する。またビーム受容体３４には受容面３６が形成される。受容面３６は、イオンビームを受容し、理想状態で貫通孔１６を通過したイオンビームが到達する前記受容体上の領域を含む。これによって、ビーム受容体３４は、貫通孔１６を通過したイオンビームのイオンビーム量を電流に変換することができる。これによって、貫通孔１６を通過したイオンビームのイオンビーム量を測定することができる。したがって、基板保持部に基板が保持されたときに、イオンビームを理想状態で基板に入射させることが可能となる。またビーム受容体３４は、受容したイオンビームのイオンビーム量を電流に変換して測定するので、テープの変色領域を目視によって判定してイオンビームの方向調整を行う従来技術に比べて、高い精度でイオンビームの方向調整を行うことができる。またイオンビームのイオン量を、そのイオンビームの位置とともに測定する測定器を設ける従来技術に比べて、装置を簡素化することができる。

また本実施形態によれば、貫通孔１６の軸線方向に見たときの、貫通孔１６の大きさは、イオンビームの流れ方向に垂直なイオンビームの断面よりも小さい。これによって、イオン量測定部１７から出力される測定結果からの、イオンの量の最大値の特定を、容易にすることができる。したがって、測定結果が最大値となるときのイオンビームの方向の特定を、容易にすることができる。またイオンビーム照射部１２の予め定める出射位置は、３つ以上設定され、貫通孔１６は、前記３つ以上の出射位置に対応する３つ以上の位置に形成される。これによって、イオンビームの方向調整を、３つ以上の出射位置について調整することができる。したがって、１つの出射位置で調整する場合に比べて、イオンビームの方向調整を高い精度で調整することができる。

また本実施形態によれば、遮断板１４は、イオンビームの流れ方向上流側の予め定める位置に設置される状態と、前記予め定める位置から除去された状態とに、随時切換え可能である。これによって、イオン注入装置１０が使用されている状態から、イオン受容体を設置し、遮断板１４を前記設置された状態に切換えることによって、イオンビームの方向を調整することが可能となる。したがって、テープを用いてイオンビームの方向調整を行う従来技術に比べて、イオン注入装置１０の大気開放の回数を低減することができるので、イオンビームの方向の調整を頻繁に行うことができる。したがって、イオンビームの方向を高い精度で保つことが容易となる。これによって、イオン注入を高い精度で行うことが可能となる。

また本実施形態によれば、半導体製造装置１１は、イオンビーム照射部１２と、遮断板１４と、イオン量測定部１７と、照射角度変更部１３とを含むイオン注入装置１０を備える。これによって、イオンビーム照射部１２から出射されるイオンビームを貫通孔１６の軸線に平行なイオンビームとすることができる。したがって、イオンビームが照射されることによって変色するテープを用いることなく、イオンビームの方向を調整することができる。テープを用いてイオンビームの方向調整を行う従来技術に比べて、イオンビームの方向を調整するときに行われるイオン注入装置１０の大気開放と真空引きとの回数を低減することができる。これによって、イオンビームの方向の調整にかかる時間を短縮することができる。

またテープからの不要な気体の放出および粉塵の発生を防止することができる。したがって、前記テープからの不要な気体および粉塵が、半導体装置に悪影響を与えることを防止することができる。またテープの変色領域を目視によって判定する必要がないので、イオンビームの方向調整を高い精度で行うことができる。イオンビームのイオン量を、そのイオンビームの位置とともに測定する測定器を設ける従来技術に比べて、半導体製造装置１１を簡素化することができる。したがって、半導体製造装置１１の製造にかかる費用を低減することができる。

本実施形態において基板保持体１８は２つであるものとしたけれども、基板保持部に含まれる基板保持体１８の個数については、規定しない。他の実施形態において基板保持体の個数は、たとえば１つであってもよく、また３つ以上であってもよい。

本実施形態において基板保持体１８に形成される凹所２０は、９つであるものとしたけれども、基板保持体１８に形成される凹所２０の数は、規定しない。他の実施形態において基板保持体に形成される凹空間の数は、たとえば２つであってもよく、４つであってもよく、８つであってもよく、また１０以上であってもよい。

本実施形態において基板保持体１８およびビーム受容体３４は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であるものとしたけれども、基板保持体１８およびビーム受容体３４は、導電性を有する材料から形成されるならば、足りる。

本発明のイオン注入装置１０において、加減速器で印加されるビーム電流の大きさについては、規定しない。たとえば数ミリアンペア（milliampere, 略号「ｍＡ」）〜数十ｍＡ以上のいわゆる大電流イオン注入装置１０であってもよく、１００マイクロアンペア（microampere, 略号「μＡ」）以上数ｍＡ程度のいわゆる中電流イオン注入装置１０であってもよく、また１００μＡ未満のイオン注入装置１０であってもよい。

本実施形態において質量分析器２６は、四重極質量分析器であるけれども、質量分析器２６は、特定の種類のイオンを選択的に出射し、その他の種類のイオンを除去できる部分であれば、足りる。たとえば他の実施形態において質量分析器は、扇形磁場型質量分析器であってもよく、四重極イオントラップ型質量分析器であってもよい。

本実施形態において照射角度変更部１３は、手動によって動作させる部分であるものとしたけれども、本発明において照射角度変更部１３は、手動によって動作させる部分であることに限定しない。イオン量測定部１７によって測定される単位時間当たりのイオンの量を最大とするために、自動的に角度補正器を調整する回路部品をさらに含んで構成されていてもよい。

本発明の一実施形態に係るイオン注入装置１０の構成を表す図である。 本発明の一実施形態におけるファラデー５２とイオン量測定部１７との断面図である。 本発明の一実施形態における走査器２８と、角度補正器３２と、基板保持体１８と、受容体との平面図である。 本発明の一実施形態における走査器２８と、角度補正器３２と、遮断板１４と、ビーム受容体３４と、基盤保持部との断面図である。 本発明の一実施形態における遮断板１４と、ビーム受容体３４との斜視図である。 本発明の第１実施形態におけるイオンビームの流れ方向に垂直な断面中のイオンの量の分布４８を表す図である。 本発明の一実施形態におけるファラデー５２と、遮断板１４と、遮断板切換部４９と、ビーム受容体３４と、基盤保持体との断面図である。 本発明の一実施形態に係るイオン注入装置１０を用いたイオンビームの照射角度の調整方法の工程を表すフローチャートである。 第１の従来技術に係るイオン注入装置において使用されるテープの平面図である。 第１の従来技術に係るイオン注入装置を用いたイオンビームの照射角度の調整方法の工程を表すフローチャートである。

符号の説明

１０ イオン注入装置
１１ 半導体製造装置
１２ イオンビーム照射部
１３ 照射角度変更部
１４ 遮断板
１６ 貫通孔
１７ イオン量測定部
１８ 基板保持体
１９ 回転軸線
２０ 凹所
２１ 回転駆動部
２２ イオン発生部
２６ 質量分析器
２７ 加減速管
２８ 走査器
３２ 角度補正器
３３ 角度補正部調整部
３４ ビーム受容体
３８ 電流計

Claims (6)

1. 気相中でイオンを発生させ、発生したイオンを加速することによってイオンビームを形成し、基板を保持する基板保持部に向けて前記イオンビームを照射するイオンビーム照射部と、
   前記基板保持部に保持される基板の位置よりも前記イオンビームのイオンの流れ方向上流側の予め定める位置に設置可能であり、前記予め定める位置に設置された状態において、予め定める方向の軸線を有する貫通孔が形成され、前記イオンビームの少なくとも一部を遮断する遮断板と、
   前記イオンビームに含まれるイオンのうち単位時間に前記貫通孔を通過したイオンの量を測定し、測定結果を出力するイオン量測定部と、
   前記基板保持部に対する前記イオンビームの角度を変化させる照射角度変更部とを含むことを特徴とするイオン注入装置。
2. 前記イオンビーム照射部は、予め定める出射位置でイオンビームを出射し、
   前記貫通孔の位置は、互いに異なる複数の出射位置で出射されるイオンビームが互いに平行となる理想状態で、前記予め定める出射位置で出射されたイオンビームが通過する位置に設定され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. 前記イオン量測定部は、前記基板保持部に保持され、単位時間当たりに受容したイオンビームのイオンの量を電流に変換するビーム受容体を含み、
   前記ビーム受容体には、イオンビームを受容する受容面が形成され、
   前記受容面は、理想状態で貫通孔を通過したイオンビームが到達する前記受容体上の領域を含むことを特徴とする請求項２に記載のイオン注入装置。
4. 前記貫通孔の軸線方向に見たときの、前記貫通孔の大きさは、前記流れ方向に垂直な前記イオンビームの断面よりも小さく、
   前記イオンビーム照射部の、前記予め定める出射位置は、３つ以上設定され、
   前記貫通孔は、前記３つ以上の出射位置に対応する３つ以上の位置に形成されることを特徴とする請求項２または３に記載のイオン注入装置。
5. 前記遮断板は、前記予め定める位置に設置される状態と、前記予め定める位置から除去された状態とに、随時切換え可能であることを特徴とする請求項３または４に記載のイオン注入装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載のイオン注入装置を備えることを特徴とする半導体製造装置。

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