JP4251453B2

JP4251453B2 - イオン注入方法

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Publication number: JP4251453B2
Application number: JP2004046213A
Authority: JP
Inventors: 貴雄松本; 宣夫長井
Original assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Current assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Priority date: 2004-02-23
Filing date: 2004-02-23
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2024-02-23
Also published as: EP1580789A3; EP1580789A2; CN100382226C; TW200529275A; KR100722159B1; JP2005235682A; US20050184254A1; US8017922B2; CN1661763A; KR20050083538A; TWI308354B

Description

この発明は、基板（例えば半導体基板）の面内において一様でないドーズ量（単位面積当たりの注入イオン数）分布を形成するイオン注入方法に関する。

従来のイオン注入技術では、基板の面内に均一にイオン注入を行うことが主体であったけれども、近年、一つの基板の面内に、一様でない所望のパターンのドーズ量分布を形成したいという要望が生じている。一様でないドーズ量分布は、不均一なドーズ量分布、または、ドーズ量が複数の領域において互いに異なるドーズ量分布、というように換言することができる。

例えば、近年は、ＬＳＩ、メモリー等の半導体デバイス製造における処理工程が複雑化し、かつ半導体基板が大型化して非常に高価になっており、半導体デバイス製造の歩留まり向上が非常に重要になっている。即ち、一つの基板をできる限り有効に活用することが非常に重要になっている。これを実現するために、半導体デバイスを製造する複数の工程の内のイオン注入工程において、ドーズ量分布を、基板の面内で意図的に不均一にすることによって、基板の面内に形成される半導体デバイスの内の特定領域の半導体デバイスの特性の補正を行うこと（これを、ＡＰＣ：アドバンストプロセスコントロールと呼ぶ。）や、特性（例えば、ＦＥＴのしきい値電圧Ｖth）を意図的に変化させることへの強い要望がある。

このような要望に関連する技術として、特許文献１には、基板の中心部を境界にして、上下および／または左右に異なるドーズ量分布を形成するイオン注入技術が記載されている。

特開２００３−１３２８３５号公報（段落００１１−００１４、図４）

上記特許文献１に記載の技術は、必ず基板の中心部を境界としてドーズ量分布を異ならせることしかできないので、基板の面内に多様なドーズ量分布を形成することはできない。

ところが、前述した半導体デバイスの特性補正や特性変化を行うことは、基板の中心部を境界にして行うとは限らず、処理工程の状況等の様々な条件に応じて、当該特性補正や特性変化を行う領域を変えなければならないので、特許文献１に記載の技術では、上述した近年の要望に十分に応えることはできない。

そこでこの発明は、基板の面内に様々なドーズ量分布を形成することができるイオン注入方法を提供することを主たる目的としている。

この発明に係るイオン注入方法の一つは、イオンビームを電界または磁界によってＸ方向に往復走査することと、基板を前記Ｘ方向と実質的に直交するＹ方向に機械的に往復駆動することとを併用して、基板にイオン注入を行うイオン注入方法において、イオンビームが基板に入射する領域内で、基板の駆動速度をイオンビームのビーム電流密度に正比例するように制御しつつ、イオンビームの走査速度をステップ状に変化させて基板にイオン注入を行う注入工程を複数回実施すると共に、この各注入工程の合間であってイオンビームが基板に当たっていない間に、基板をその中心部を中心にして所定の回転角度だけ回転させる回転工程をそれぞれ実施し、かつ前記注入工程として、イオンビームの走査速度を、基板の一端から他端にかけて、第１の走査速度、当該第１の走査速度とは異なる第２の走査速度および前記第１の走査速度にステップ状に変化させる注入工程をｎ回（ｎは４または８）実施すると共に、前記回転工程として、基板を３６０／ｎ度ずつ回転させる回転工程を実施することによって、基板の面内において、中央領域とそれを囲む外周領域とでドーズ量の互いに異なるドーズ量分布を形成することを特徴としており、更に、前記中央領域および外周領域の目標ドーズ量をそれぞれＤ _A およびＤ _B とし、１回の注入工程による前記第１の走査速度および第２の走査速度による設定ドーズ量をそれぞれｄ ₁ およびｄ ₂ としたとき、ｄ ₁ ＝（２Ｄ _B −Ｄ _A ）／ｎ、かつ、ｄ ₂ ＝Ｄ _A ／ｎに設定することを特徴としている。

この発明に係るイオン注入方法の他のものは、イオンビームを電界または磁界によってＸ方向に往復走査することと、基板を前記Ｘ方向と実質的に直交するＹ方向に機械的に往復駆動することとを併用して、基板にイオン注入を行うイオン注入方法において、イオンビームが基板に入射する領域内で、基板の駆動速度をイオンビームのビーム電流密度に正比例するように制御しつつ、基板の駆動速度をステップ状に変化させて基板にイオン注入を行う注入工程を複数回実施すると共に、この各注入工程の合間であってイオンビームが基板に当たっていない間に、基板をその中心部を中心にして所定の回転角度だけ回転させる回転工程をそれぞれ実施し、かつ前記注入工程として、基板の駆動速度を、イオンビームが基板に入射する領域内で、第１の駆動速度、当該第１の駆動速度とは異なる第２の駆動速度および前記第１の駆動速度にステップ状に変化させる注入工程をｎ回（ｎは４または８）実施すると共に、前記回転工程として、基板を３６０／ｎ度ずつ回転させる回転工程を実施することによって、基板の面内において、中央領域とそれを囲む外周領域とでドーズ量の互いに異なるドーズ量分布を形成することを特徴としており、更に、前記中央領域および外周領域の目標ドーズ量をそれぞれＤ _A およびＤ _B とし、１回の注入工程による前記第１の駆動速度および第２の駆動速度による設定ドーズ量をそれぞれｄ ₁ およびｄ ₂ としたとき、ｄ ₁ ＝（２Ｄ _B −Ｄ _A ）／ｎ、かつ、ｄ ₂ ＝Ｄ _A ／ｎに設定することを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、イオンビームの走査速度を第１の走査速度、第２の走査速度および第１の走査速度というようにステップ状に変化させるイオン注入と、基板のステップ回転とを実施するので、基板の中央領域とそれを囲む外周領域とでドーズ量の互いに異なるドーズ量分布を形成することができる。しかも、前記式に従って設定ドーズ量ｄ ₁ 、ｄ ₂ を設定することによって、中央領域および外周領域の目標ドーズ量Ｄ _A 、Ｄ _B を容易に達成することができる。

請求項２に記載の発明によれば、基板の駆動速度を第１の駆動速度、第２の駆動速度および第１の駆動速度というようにステップ状に変化させるイオン注入と、基板のステップ回転とを実施するので、基板の中央領域とそれを囲む外周領域とでドーズ量の互いに異なるドーズ量分布を形成することができる。しかも、前記式に従って設定ドーズ量ｄ ₁ 、ｄ ₂ を設定することによって、中央領域および外周領域の目標ドーズ量Ｄ _A 、Ｄ _B を容易に達成することができる。

図１は、この発明に係るイオン注入方法を実施するイオン注入装置の一例を示す概略平面図である。図２は、図１のイオン注入装置の基板周りの一例を拡大して示す概略側面図である。

このイオン注入装置は、ハイブリッドスキャン方式と呼ばれるものであり、イオンビーム４を電界または磁界によってＸ方向（例えば水平方向）に往復走査することと、基板（例えば半導体基板）２をＸ方向と実質的に直交するＹ方向（例えば垂直方向）に機械的に往復駆動することとを併用して、基板２の全面にイオン注入を行う構成をしている。なお、ハイブリッドスキャン方式のイオン注入装置は、例えば、特開２００１−１４３６５１号公報、特開２００１−１８５０７１号公報にも記載されている。

このイオン注入装置は、より具体的には、イオンビーム４を引き出すイオン源１０と、このイオン源１０から引き出されたイオンビーム４から特定のイオン種を選別して導出する質量分離マグネット１２と、この質量分離マグネット１２から導出されたイオンビーム４を加速または減速する加速管１４と、この加速管１４から導出されたイオンビーム４を整形するＱレンズ１６と、このＱレンズ１６から導出されたイオンビーム４から特定エネルギーのイオンを選別して導出するエネルギー分離器１８と、このエネルギー分離器１８から導出されたイオンビーム４を電界または磁界によって前記Ｘ方向に往復走査する走査器２０と、この走査器２０から導出されたイオンビーム４を電界または磁界によって曲げ戻して走査器２０と協働してイオンビーム４の平行走査を行う、即ち平行なイオンビーム４を作るビーム平行化器２４とを備えている。

ビーム平行化器２４から導出されたイオンビーム４は、注入室２６内において、ホルダ２８に保持されている前記基板２に照射され、それによって基板２にイオン注入が行われる。その際、基板２は、駆動装置３２によって、前記Ｙ方向に往復駆動される。この基板２の往復駆動とイオンビーム４の往復走査との協働によって、基板２の全面にイオン注入を行うことができる。

その場合、基板２のＹ方向の駆動速度ｖは、特許文献１にも記載されているように、イオンビーム４が基板２に入射する領域内で、イオンビーム４のビーム電流密度Ｊに正比例するように制御される。換言すれば、Ｊ／ｖが一定になるように制御される。そのようにすると、基板２へのイオン注入中に仮にイオンビーム４のビーム電流密度Ｊが変化しても、この変化を駆動速度ｖで補償して、基板２に対するドーズ量に変化が生じるのを防止することができる。即ち、基板２に対して所定のドーズ量でイオン注入を行うことができる。

更にこのイオン注入装置は、基板２をホルダ２８と共に、基板２の中心部２ａを中心にして回転（例えば図２中の矢印Ｂに示す時計方向に回転）させる回転装置３０を備えている。駆動装置３２は、この回転装置３０、ホルダ２８および基板２の全体をＹ方向に往復駆動する。

イオンビーム４の前記走査は、走査電源２２から走査器２０に供給される走査出力（例えば走査電圧または走査電流）Ｐ（ｔ）によって制御される。（ｔ）は、時間ｔの関数であることを表している。この走査電源２２および走査器２０によって、イオンビーム４をＸ方向に往復走査する走査装置を構成している。

ホルダ２８の上流側および下流側には、図２にのみ示すけれども、イオンビーム４を受けてそのＸ方向のビーム電流密度分布を計測して、走査出力Ｐ（ｔ）の波形整形等に用いられる前段多点ファラデー３８および後段多点ファラデー３９が設けられている。両多点ファラデー３８、３９は、複数のファラデーカップをＸ方向に並べたものである。後段多点ファラデー３９はイオンビーム４のビームライン上に固定されている。前段多点ファラデー３８およびホルダ２８は、Ｙ方向に駆動されて、必要なときにのみイオンビーム４のビームライン上に置かれる。なお、これと同様の多点ファラデーは、前記特開２００１−１４３６５１号公報にも記載されている。

両多点ファラデー３８、３９による計測値は、制御装置３６に与えられる。制御装置３６は、上記計測値および各種設定値に基づいて、（１）走査装置（この実施形態では具体的には走査電源２２。以下同様）を制御して、イオンビーム４のＸ方向の走査速度ｓを後述するように制御する機能、（２）駆動装置３２を制御して、ホルダ８上の基板２のＹ方向の駆動速度ｖを前述したように制御すると共に後述するように制御する機能、（３）回転装置３０を制御して、基板２をその中心部２ａを中心にして後述するように回転させる制御を行う機能、（４）前記走査装置、駆動装置３２および回転装置３０を制御して、後述するように複数回の注入工程とその合間の回転工程とを実施する制御を行う機能、（５）更にこの実施形態では、後述するように走査出力Ｐ（ｔ）の波形整形を行う機能、等の機能を有している。

上記のようなイオン注入装置において、基板２の面内に多様なドーズ量分布を形成するイオン注入方法の例を説明する。

例えば、基板２のＹ方向の駆動速度ｖをイオンビーム４のビーム電流密度に正比例するように制御しつつ、イオンビーム４のＸ方向の走査速度ｓを所定のパターンで変化させることによって、基板２の面内において一様でないドーズ量分布を形成する。基板２の駆動速度ｖをビーム電流密度に正比例するように制御するのは、前述したように、イオンビーム４の万一のビーム電流密度の変動を補償するためであり、イオンビーム４のビーム電流密度に変動がなければ、基板２の駆動速度ｖは一定となる。なお、これ以下で取り上げている基板２の駆動速度ｖやイオンビーム４の走査速度ｓは、イオンビーム４が基板２に入射する領域内におけるものである。当該領域外では、これらの速度ｓ、ｖは、基板２に対するドーズ量に影響しないからである。

この場合に、イオンビーム４の走査速度ｓを変化させる位置および変化させる程度、即ち走査速度ｓを変化させるパターンの例を、図３〜図７に示す。

図３の例は、イオンビーム４の走査速度ｓを、ステップ状の一形態してと、ｓ₁、ｓ₂、ｓ₃（＝ｓ₁）と凹状に変化させる場合である。この例ではｓ₂＜ｓ₁であるが、これと反対にｓ₂＞ｓ₁にして凸状に変化させても良い。ｓ₁≠ｓ₃にしても良い。また、より多くの段階に変化させても良い。なお、ステップ状と言っても、現実には、時間ゼロで走査速度ｓを変化させることはできないので、若干の遷移区間を伴う（以下においても同様）。

基板２に対するドーズ量は、イオンビーム４のビーム電流密度を一定とすると、イオンビーム４の走査速度ｓに反比例する。即ち、走査速度ｓとドーズ量とは反対の関係にあり、走査速度ｓが大きい領域ではドーズ量は小さくなり、走査速度ｓが小さい領域ではドーズ量は大きくなる。なお、基板２の駆動速度ｖに比べれば、イオンビーム４の走査速度ｓは遙かに大きくて速いので、イオンビーム４が基板２上をＸ方向に１回走査されている間のイオンビーム４のビーム電流密度は、一定と考えても妥当である。

従って、図３の例の場合は、図９に示す例のように、基板２の面内に、Ｙ方向に沿って川の字状に（こうなるのは、ここでは基板２の駆動速度ｖを上記のように制御して、Ｙ方向においてはドーズ量に変化が生じないようにしているからである）、ドーズ量の異なる領域Ｒ₁〜Ｒ₃が形成される。各領域Ｒ₁〜Ｒ₃におけるドーズ量の相対関係は上記のとおりである。

なお、図９〜図１４に示す基板２のオリエンテーションフラット２ｂは、後述するように基板２を回転させたときの位置関係を分かりやすくするために例示したものであり、当該オリエンテーションフラット２ｂと注入領域との位置関係は、特定のものに限定されるものではない。

図４の例は、イオンビーム４の走査速度ｓを、ステップ状の他の形態として、ｓ₄＞ｓ₅＞ｓ₆にして段階的に変化させる場合である。これと反対に、ｓ₄＜ｓ₅＜ｓ₆に変化させても良い。また、より多くの段階に変化させても良い。

図４の例の場合も、図９に示す例のように、基板２の面内に、Ｙ方向に沿って川の字状に、ドーズ量の異なる領域Ｒ₁〜Ｒ₃が形成される。但し、各領域Ｒ₁〜Ｒ₃におけるドーズ量の相対関係は、図３の場合とは異なる。

図５の例は、イオンビーム４の走査速度ｓを、連続して滑らかに変化させる一形態として、直線状に変化させる場合である。傾きは、図示例とは反対でも良い。また、傾きをより大きくしても良いし、より小さくしても良い。

図５の例の場合は、基板２の面内に、図５とは反対の傾きでドーズ量が連続的に変化したドーズ量分布が形成される。

図６の例は、イオンビーム４の走査速度ｓを、連続して滑らかに変化させる他の形態として、曲線状に変化させる場合である。図６の例は谷状の曲線であるが、これとは反対に山状の曲線でも良い。

図６の例の場合は、基板２の面内に、図６とは反対の傾きでドーズ量が連続的に変化したドーズ量分布が形成される。

図７の例は、イオンビーム４の走査速度ｓを、ｓ₇、ｓ₈、ｓ₉と３段階の腰折れ状に変化させる場合である。傾きは、図示例とは反対でも良い。また、より多くの段階に変化させても良い。

図７の例の場合も、図９に示す例のように、基板２の面内に、Ｙ方向に沿って川の字状に、ドーズ量の異なる領域Ｒ₁〜Ｒ₃が形成される。但し、各領域Ｒ₁〜Ｒ₃におけるドーズ量の相対関係は、図３および図４の場合とは異なる。

制御装置３６は、前記走査装置を制御して、上記のようにイオンビーム４の走査速度ｓを変化させる制御を行うことができる。

上記各例のように、基板２のＹ方向の駆動速度ｖをイオンビーム４のビーム電流密度に正比例するように制御しつつ、イオンビーム４のＸ方向の走査速度ｓを変化させることによって、基板２の面内において、一様でないドーズ量分布を形成することができる。しかも、当該走査速度ｓを変化させるパターンを適宜選定することによって、基板２の面内に多様なドーズ量分布を形成することが可能になる。必ずしも基板２の中心部２ａをドーズ量変化の境界にする必要はない。従って、例えば、基板２の面内に形成される半導体デバイスの内の特定領域の半導体デバイスの特性補正や特性変化をイオン注入によって行うこと等にも臨機応変に対応することができる。

基板２に対するドーズ量は、イオンビーム４のビーム電流密度を一定とすると、基板２の駆動速度ｖにも反比例する。従って、イオンビーム４のＸ方向の走査速度ｓを一定に保ちつつ、基板２のＹ方向の駆動速度ｖを所定のパターンで変化させることによって、基板２の面内において一様でないドーズ量分布を形成しても良い。

この場合において、基板２の駆動速度ｖを変化させる位置および変化させる程度、即ち駆動速度ｖを変化させるパターンの例としては、上記図３〜図７において、縦軸を基板２の駆動速度ｖと読み替え、横軸をＹ方向における基板上の位置と読み替えれば良く、そのようにすれば、上記説明内容をこの場合にも適用することができる。

制御装置３６は、駆動装置３２を制御して、上記のように基板２の駆動速度ｖを変化させる制御を行うこともできる。

このように、イオンビーム４のＸ方向の走査速度ｓを一定に保ちつつ、基板２のＹ方向の駆動速度ｖを所定のパターンで変化させることによっても、基板２の面内において、一様でないドーズ量分布を形成することができる。しかも、当該駆動速度ｖを変化させるパターンを適宜選定することによって、基板２の面内に多様なドーズ量分布を形成することが可能になる。必ずしも基板２の中心部２ａをドーズ量変化の境界にする必要はない。従って、例えば、基板２の面内に形成される半導体デバイスの内の特定領域の半導体デバイスの特性補正や特性変化をイオン注入によって行うこと等にも臨機応変に対応することができる。

イオンビーム４の走査速度ｓを例えば上記例のように変化させることと、基板２の駆動速度ｖを例えば上記例のように変化させることとを併用することによって、基板２の面内において一様でないドーズ量分布を形成するようにしても良い。そのようにすると、基板２の面内でＸ方向およびＹ方向の両方においてドーズ量分布を変化させることができるので、基板２の面内により多様なドーズ量分布を形成することができる。

制御装置３６は、前記走査装置および駆動装置３２を制御して、上記のようにイオンビーム４の走査速度ｓおよび基板２の駆動速度ｖを変化させる制御を行うこともできる。

更に、イオンビーム４の走査速度ｓおよび基板２の駆動速度ｖの少なくとも一方を変化させることと、基板２をその中心部２ａを中心にして回転させることとを併用することによって、基板２の面内において一様でないドーズ量分布を形成するようにしても良い。

そのようにすると、基板２の中心部２ａを中心とする回転方向においてもドーズ量分布を変化させることができるので、基板の面内により一層多様なドーズ量分布を形成することができる。

基板２を回転させる場合、基板２を所定の回転角度θずつステップ状に回転させても良いし、所定の回転角度θ内を連続して滑らかに回転させても良い。前者の方が、基板２の面内におけるドーズ量分布の境界は明確になる。回転角度θは、例えば、０＜θ≦３６０°で任意である。

また、基板２を、イオンビーム４が基板２に当たっていない間に回転させても良いし、当たっている間に回転させても良い。前者の方が、基板２の面内におけるドーズ量分布の境界は明確になる。

制御装置３６は、回転装置３０を制御して、上記のような基板２の回転の制御をも行うことができる。

また、例えば図８に示す工程の例のように、イオンビーム４が基板２に入射する領域内で、基板２の駆動速度ｖをイオンビーム４のビーム電流密度に正比例するように制御しつつ、イオンビーム４の走査速度ｓをステップ状に変化させて基板２にイオン注入を行う注入工程を複数回実施すると共に、この各注入工程の合間であってイオンビーム４が基板２に当たっていない間に、基板２をその中心部２ａを中心にして所定の回転角度だけ回転させる回転工程をそれぞれ実施することによって、基板２の面内において一様でないドーズ量分布を形成するようにしても良い。図８の例は、上記のような注入工程を４回（即ち、注入工程４０、４２、４４および４６）、その各注入工程の合間に上記のような回転工程を１回ずつ、合計３回（即ち、回転工程４１、４３および４５）実施する場合を示す。

そのようにすると、イオンビーム４の走査速度ｓをステップ状に変化させてイオン注入を行う複数回の注入工程と、各注入工程の合間に基板２をその中心部２ａを中心にして所定の回転角度だけステップ回転させる回転工程とを実施するので、基板２の中心部２ａを中心とする回転対称なドーズ量分布を形成することができ、基板２の面内により多様なドーズ量分布を形成することができる。

制御装置３６は、前記走査装置、駆動装置３２および回転装置３０を制御して、上記のような注入工程および回転工程の制御を行うこともできる。

前記注入工程として、イオンビーム４の走査速度ｓを、図３に示すように、基板２の一端から他端にかけて、ｓ₁、ｓ₂（≠ｓ₁）およびｓ₃（＝ｓ₁）にステップ状に変化させる注入工程をｎ回（ｎは４または８）実施すると共に、前記回転工程として、基板２を３６０／ｎ度ずつ回転させる回転工程を実施することによって、基板２の面内において、中央領域とそれを囲む外周領域とでドーズ量の互いに異なるドーズ量分布を形成するようにしても良い。制御装置３６は、このような制御を行うこともできる。

イオンビーム４の走査速度ｓを図３に示すようにｓ₁、ｓ₂（≠ｓ₁）およびｓ₃（＝ｓ₁）とステップ状に変化させ、かつ上記回数ｎを４とした場合に、即ち図８に示す工程の場合に、基板２の面内に形成されるドーズ量分布を、図９〜図１２を参照して、順を追って説明する。基板２の回転方向の位置は、前述したようにオリエンテーションフラット２ｂを参照すると分かりやすい。なお、イオンビーム４の走査速度ｓは、前述したように、現実には若干の遷移区間を伴って変化し、かつ、走査される前のイオンビーム４の断面寸法（スポットサイズ）は、現実には所定の大きさを有しているけれども、以下においては、説明を簡単にするために、イオンビーム４の走査速度ｓは遷移区間を伴わずに変化し、かつイオンビーム４の断面寸法は点状であると仮定して説明する。

まず、第１回目の注入工程４０を実施することによって、図９に示すように、基板２の面内に、Ｙ方向に沿って川の字状に、ドーズ量の異なる領域Ｒ₁〜Ｒ₃が形成される。このとき、１回の注入工程によって注入するように設定された設定ドーズ量を、走査速度ｓ₁（＝ｓ₃）の領域でｄ₁、走査速度ｓ₂の領域でｄ₂とすると、上記工程によって、基板２の面内の各領域Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃に注入されたドーズ量Ｄ₁、Ｄ₂、Ｄ₃は、それぞれ、次式となる。

［数１］
Ｄ₁＝ｄ₁
Ｄ₂＝ｄ₂
Ｄ₃＝ｄ₁

次いで、第１回目の回転工程４１を実施した後に第２回目の注入工程４２を実施することによって、図１０に示すように、基板２の面内に、格子状に、ドーズ量の異なる領域Ｒ₄〜Ｒ₁₂が形成される。これは、図９のドーズ量分布と、それを９０度回転させたものとを、互いに重ね合わせたものに相当する。これまでの工程によって、各領域Ｒ₄〜Ｒ₁₂に注入されたドーズ量Ｄ₄〜Ｄ₁₂は、それぞれ、次式となる。

［数２］
Ｄ₄＝２ｄ₂
Ｄ₅＝ｄ₁＋ｄ₂
Ｄ₆＝２ｄ₁
Ｄ₇＝ｄ₁＋ｄ₂
Ｄ₈＝２ｄ₁
Ｄ₉＝ｄ₁＋ｄ₂
Ｄ₁₀＝２ｄ₁
Ｄ₁₁＝ｄ₁＋ｄ₂
Ｄ₁₂＝２ｄ₁

以下同様に、第２回目の回転工程４３を実施した後に第３回目の注入工程４４を実施することによって、図１１に示す状態となり、これまでの工程によって各領域Ｒ₄〜Ｒ₁₂に注入されたドーズ量Ｄ₄〜Ｄ₁₂は、それぞれ、次式となる。

［数３］
Ｄ₄＝３ｄ₂
Ｄ₅＝ｄ₁＋２ｄ₂
Ｄ₆＝３ｄ₁
Ｄ₇＝２ｄ₁＋ｄ₂
Ｄ₈＝３ｄ₁
Ｄ₉＝ｄ₁＋２ｄ₂
Ｄ₁₀＝３ｄ₁
Ｄ₁₁＝２ｄ₁＋ｄ₂
Ｄ₁₂＝３ｄ₁

更に、第３回目の回転工程４５を実施した後に第４回目の注入工程４６を実施することによって、イオン注入処理は完了する。その結果、図１２に示す状態となり、これまでの工程によって各領域Ｒ₄〜Ｒ₁₂に注入されたドーズ量Ｄ₄〜Ｄ₁₂は、それぞれ、次式となる。

［数４］
Ｄ₄＝４ｄ₂
Ｄ₅＝２ｄ₁＋２ｄ₂
Ｄ₆＝４ｄ₁
Ｄ₇＝２ｄ₁＋２ｄ₂
Ｄ₈＝４ｄ₁
Ｄ₉＝２ｄ₁＋２ｄ₂
Ｄ₁₀＝４ｄ₁
Ｄ₁₁＝２ｄ₁＋２ｄ₂
Ｄ₁₂＝４ｄ₁

上記図１２および数４から分かるように、上記のようなイオン注入によって、中央領域Ｒ₄とそれを囲む外周領域Ｒ₅〜Ｒ₁₂とでドーズ量の互いに異なるドーズ量分布を形成することができる。

ここで、現実的なイオン注入方法（装置）に話を移すと、前述したように、イオンビーム４の走査速度ｓは若干の遷移区間を伴って変化し、かつイオンビーム４の断面寸法（スポットサイズ）は所定の大きさを有している（例えば、直径が７０〜８０ｍｍ程度の円形状をしている）。その結果、上記各領域Ｒ₄〜Ｒ₁₂の境界付近において、ドーズ量はなだらかに変化したものとなる。従って、中央領域Ｒ₄は円形に近くなり、四隅の領域Ｒ₆、Ｒ₈、Ｒ₁₀、Ｒ₁₂は非常に小さくなり、その結果、円形に近くドーズ量が４ｄ₂の中央領域Ｒ₄と、それを囲みドーズ量が２ｄ₁＋２ｄ₂の円環状の外周領域とから成るドーズ量分布が形成される。上記のように、ドーズ量をなだらかに（滑らかに）変化させる観点からは、イオンビーム４の断面寸法は、ある程度大きくする方が好ましい。

上記のようにして実際に得られたドーズ量分布の例を図１３および図１４に示す。両図において、−記号はドーズ量が少ないことを示し、＋記号はドーズ量が多いことを示し、□記号はドーズ量が中間であることを示している。

図１３は、図９に対応している。但し、図１３の例では、基板２のオリエンテーションフラット２ｂがＸ方向に対して２２度傾いた状態でイオン注入を行っている（図１４も同様）。実際に、Ｙ方向に沿って川の字状にドーズ量分布が得られていることが分かる。また、前述したとおり、中央の領域Ｒ₂のドーズ量はｄ₂、その両側の領域Ｒ₁およびＲ₃のドーズ量はｄ₁となっている。

図１４は、図１２に対応している。但し、オリエンテーションフラット２ｂの位置が図１３と一致するように図示している。実際に、円形に近くドーズ量が多い中央領域Ｒ₄と、それを囲みドーズ量が少ない円環状の外周領域Ｒ₁₃とから成るドーズ量分布が形成されていることが分かる。また、前述したとおり、中央領域Ｒ₄のドーズ量は４ｄ₂、外周領域Ｒ₁₃のドーズ量は２ｄ₁＋２ｄ₂となっている。

基板２の面内において、例えば図１４に示す例のような、中央領域Ｒ₄とそれを囲む外周領域Ｒ₁₃とでドーズ量の互いに異なるドーズ量分布を形成したい場合、中央領域Ｒ₄および外周領域Ｒ₁₃の目標ドーズ量をそれぞれＤ_AおよびＤ_Bとし、前述したように１回の注入工程におけるイオンビーム４の第１の走査速度ｓ₁および第２の走査速度ｓ₂による設定ドーズ量をそれぞれｄ₁およびｄ₂とし、前記ｎを４または８としたとき、両設定ドーズ量ｄ₁およびｄ₂を次式に設定することによって、上記目標ドーズ量Ｄ_AおよびＤ_Bを容易に達成（実現）することができる。

［数５］
ｄ₁＝（２Ｄ_B−Ｄ_A）／ｎ
ｄ₂＝Ｄ_A／ｎ

例えば、円形の基板２の直径を２０ｃｍ（８インチ）、円形の中央領域のドーズ量Ｄ_Aを２．０×１０¹³個／ｃｍ²、円環状の外周領域のドーズ量Ｄ_Bを１．９×１０¹³個／ｃｍ²、前記注入工程の回数ｎを４、かつ基板２を９０度ずつ回転させることを注入条件とする場合、上記数５に従って、設定ドーズ量ｄ₁を４．５×１０¹²個／ｃｍ²、設定ドーズ量ｄ₂を５．０×１０¹²個／ｃｍ²に設定してイオン注入を行うことによって、上記目標ドーズ量Ｄ_AおよびＤ_Bを容易に実現することができる。上記回数ｎ、設定ドーズ量ｄ₁およびｄ₂等は、制御装置３６に設定すれば良い。１回の回転工程における回転角度３６０／ｎ度は、制御装置３６内で演算させれば良い。

上記図１４は、上記のような条件でイオン注入を行った結果のものであり（図１３はその第１回目の注入工程後のものである）、ドーズ量は目標どおり、中央領域Ｒ₄では２．０×１０¹³個／ｃｍ²、外周領域Ｒ₁₃では１．９×１０¹³個／ｃｍ²が得られた。中央領域の半径は約６．５ｃｍであった。

また、例えば図８に示す工程の例と同様にして、イオンビーム４が基板２に入射する領域内で、基板２の駆動速度ｖをイオンビーム４のビーム電流密度に正比例するように相対的に細かく制御しつつ、基板２の駆動速度ｖをステップ状に相対的に大きく変化させて基板２にイオン注入を行う注入工程を複数回実施すると共に、この各注入工程の合間であってイオンビーム４が基板２に当たっていない間に、基板２をその中心部２ａを中心にして所定の回転角度だけ回転させる回転工程をそれぞれ実施することによって、基板２の面内において一様でないドーズ量分布を形成するようにしても良い。図８の例は、上記のような注入工程を４回（即ち、注入工程４０、４２、４４および４６）、その各注入工程の合間に上記のような回転工程を１回ずつ、合計３回（即ち、回転工程４１、４３および４５）実施する場合を示す。

そのようにすることによっても、基板２の駆動速度ｖをステップ状に変化させてイオン注入を行う複数回の注入工程と、各注入工程の合間に基板２をその中心部２ａを中心にして所定の回転角度だけステップ回転させる回転工程とを実施するので、基板２の中心部２ａを中心とする回転対称なドーズ量分布を形成することができ、基板２の面内により多様なドーズ量分布を形成することができる。

前記注入工程として、基板２の駆動速度ｖを、図３に示すイオンビームの走査速度ｓの場合と同様に、イオンビーム４が基板２に入射する領域内で、ｖ₁、ｖ₂（≠ｖ₁）およびｖ₃（＝ｖ₁）にステップ状に変化させる注入工程をｎ回（ｎは４または８）実施すると共に、前記回転工程として、基板２を３６０／ｎ度ずつ回転させる回転工程を実施することによって、基板２の面内において、中央領域とそれを囲む外周領域とでドーズ量の互いに異なるドーズ量分布を形成するようにしても良い。この場合も、具体的には、上述したイオンビーム４の走査速度ｓをステップ状に変化させる場合と同様に、円形に近い中央領域と、それを囲む円環状の外周領域とから成るドーズ量分布が形成される。制御装置３６は、このような制御を行うこともできる。

また、この場合も、前記中央領域および外周領域の目標ドーズ量をそれぞれＤ_AおよびＤ_Bとし、１回の注入工程による前記第１の駆動速度および第２の駆動速度による設定ドーズ量をそれぞれｄ₁およびｄ₂とし、前記ｎを４または８としたとき、前記数５を適用して設定ドーズ量ｄ₁およびｄ₂を設定することができ、それによって、目標ドーズ量Ｄ_AおよびＤ_Bを容易に達成（実現）することができる。

イオンビーム４の走査速度ｓを例えば上記例のようにステップ状に変化させることと、基板２の駆動速度ｖを例えば上記例のようにステップ状に変化させることとを併用することによって、基板２の面内において一様でないドーズ量分布を形成するようにしても良い。そのようにすると、基板２の面内でＸ方向およびＹ方向の両方においてドーズ量分布を変化させることができるので、基板２の面内により多様なドーズ量分布を形成することができる。制御装置３６は、このような制御を行うこともできる。

なお、注入工程の回数ｎは上記４に限られるものではない。回数ｎを大きくするほど、中央領域Ｒ₄はより円形に近づき、その外周領域Ｒ₁₃はより円環状に近づく。例えば、ｎを８としても良い。

また、図３〜図７に例示したもの等のようにイオンビーム４の走査速度を変化させる場合、および／または、基板２の駆動速度ｖを変化させる場合、これらの速度変化パターンを前記制御装置３６に設定して、当該制御装置３６によって、前記走査電源２２および／または駆動装置３２を制御することによって、当該速度変化を実現するようにしても良い。

上記速度変化パターンは、具体的には、基板２とイオンビーム４との位置関係を示す位置情報と、その位置での速度情報とから成る。この速度情報は、各速度の値そのものでも良いし、基準となる速度およびそれからの偏差量（または変化率）でも良い。

また、上記速度変化パターンが、例えば図３、図４に示す例のようなステップ状の場合、あるいは図７に示す例のような腰折れ状の場合、高次（例えば４次）の近似曲線またはスプライン関数を用いて速度変化の曲線を作成して、速度変化の変曲点をなくしたり目立たなくするのが好ましい。そのようにすると、基板２の面内における異なるドーズ量間のドーズ量の変化をより滑らかにすることができる。このような処理を、制御装置３６に行わせても良い。

基板２上で実際に得られるイオンビーム４のＸ方向の走査速度ｓの各値は、（１）前記前段多点ファラデー３８を用いて計測される前段多点ファラデー３８上のＸ方向の複数点における走査速度ｓの情報、（２）前記後段多点ファラデー３９を用いて計測される後段多点ファラデー３９上のＸ方向の複数点における走査速度ｓの情報、および（３）両多点ファラデー３８、３９と基板２表面との間の距離を用いて、補間法によって求めることができる。この演算を、制御装置３６に行わせても良い。

また、設定したイオンビーム４の走査速度ｓと、基板２上で実際に得られる走査速度ｓとがずれている場合は、制御装置３６によって走査電源２２を制御して、当該ずれをなくするように、走査電源２２から走査器２０に供給する走査出力Ｐ（ｔ）の波形を整形するようにしても良い。

なお、上記のようなイオン注入は、通常は基板２の全面に行うけれども、必要に応じて、基板２の面内の一部分に行っても良い。

この発明に係るイオン注入方法を実施するイオン注入装置の一例を示す概略平面図である。図１のイオン注入装置の基板周りの一例を拡大して示す概略側面図である。イオンビームの走査速度を変化させるパターンの例を示す図である。イオンビームの走査速度を変化させるパターンの例を示す図である。イオンビームの走査速度を変化させるパターンの例を示す図である。イオンビームの走査速度を変化させるパターンの例を示す図である。イオンビームの走査速度を変化させるパターンの例を示す図である。この発明に係るイオン注入方法の一例を示す工程図である。基板の中央領域とそれを囲む外周領域とでドーズ量の互いに異なるドーズ量分布を形成する場合を理論的に説明するための図である。基板の中央領域とそれを囲む外周領域とでドーズ量の互いに異なるドーズ量分布を形成する場合を理論的に説明するための図である。基板の中央領域とそれを囲む外周領域とでドーズ量の互いに異なるドーズ量分布を形成する場合を理論的に説明するための図である。基板の中央領域とそれを囲む外周領域とでドーズ量の互いに異なるドーズ量分布を形成する場合を理論的に説明するための図である。第１回目の注入工程後に実際に得られたドーズ量分布の一例を示す図であり、図９に対応している。第４回目の注入工程後に実際に得られたドーズ量分布の一例を示す図であり、図１２に対応している。

符号の説明

２基板
４イオンビーム
２０走査器
２２走査電源
２８ホルダ
３０回転装置
３２駆動装置
３６制御装置

Claims

イオンビームを電界または磁界によってＸ方向に往復走査することと、基板を前記Ｘ方向と実質的に直交するＹ方向に機械的に往復駆動することとを併用して、基板にイオン注入を行うイオン注入方法において、
イオンビームが基板に入射する領域内で、基板の駆動速度をイオンビームのビーム電流密度に正比例するように制御しつつ、イオンビームの走査速度をステップ状に変化させて基板にイオン注入を行う注入工程を複数回実施すると共に、この各注入工程の合間であってイオンビームが基板に当たっていない間に、基板をその中心部を中心にして所定の回転角度だけ回転させる回転工程をそれぞれ実施し、
かつ前記注入工程として、イオンビームの走査速度を、基板の一端から他端にかけて、第１の走査速度、当該第１の走査速度とは異なる第２の走査速度および前記第１の走査速度にステップ状に変化させる注入工程をｎ回（ｎは４または８）実施すると共に、前記回転工程として、基板を３６０／ｎ度ずつ回転させる回転工程を実施することによって、基板の面内において、中央領域とそれを囲む外周領域とでドーズ量の互いに異なるドーズ量分布を形成することを特徴としており、
更に、前記中央領域および外周領域の目標ドーズ量をそれぞれＤ_AおよびＤ_Bとし、１回の注入工程による前記第１の走査速度および第２の走査速度による設定ドーズ量をそれぞれｄ₁およびｄ₂としたとき、
ｄ₁＝（２Ｄ_B−Ｄ_A）／ｎ、かつ、
ｄ₂＝Ｄ_A／ｎ
に設定することを特徴としているイオン注入方法。
イオンビームを電界または磁界によってＸ方向に往復走査することと、基板を前記Ｘ方向と実質的に直交するＹ方向に機械的に往復駆動することとを併用して、基板にイオン注入を行うイオン注入方法において、
イオンビームが基板に入射する領域内で、基板の駆動速度をイオンビームのビーム電流密度に正比例するように制御しつつ、基板の駆動速度をステップ状に変化させて基板にイオン注入を行う注入工程を複数回実施すると共に、この各注入工程の合間であってイオンビームが基板に当たっていない間に、基板をその中心部を中心にして所定の回転角度だけ回転させる回転工程をそれぞれ実施し、
かつ前記注入工程として、基板の駆動速度を、イオンビームが基板に入射する領域内で、第１の駆動速度、当該第１の駆動速度とは異なる第２の駆動速度および前記第１の駆動速度にステップ状に変化させる注入工程をｎ回（ｎは４または８）実施すると共に、前記回転工程として、基板を３６０／ｎ度ずつ回転させる回転工程を実施することによって、基板の面内において、中央領域とそれを囲む外周領域とでドーズ量の互いに異なるドーズ量分布を形成することを特徴としており、
更に、前記中央領域および外周領域の目標ドーズ量をそれぞれＤ_AおよびＤ_Bとし、１回の注入工程による前記第１の駆動速度および第２の駆動速度による設定ドーズ量をそれぞれｄ₁およびｄ₂としたとき、
ｄ₁＝（２Ｄ_B−Ｄ_A）／ｎ、かつ、
ｄ₂＝Ｄ_A／ｎ
に設定することを特徴としているイオン注入方法。