JP5015464B2 - イオン注入方法およびイオン注入装置 - Google Patents

Description

本発明は、幅広のリボンビームと被処理基板とを相対的に移動させてイオン注入を行うイオン注入方法およびイオン注入装置に関する。

従来より、半導体製造分野においては、不純物イオンのドーピングを行うイオン注入工程がある。一般にイオン注入工程では、素子特性のバラツキを防ぐために、イオン注入量（ドーズ量）の面内均一性が要求されている。そこで従来では、静止したウェーハに対してイオンビームを静電的にスキャンしたり、イオンビームに対してウェーハを機械的にスキャンして、ドーズ量の面内均一性の向上を図っている。

一方、近年においては、イオンビームを幅広のリボン状またはシート状に整形し、このリボン状のイオンビーム（以下「リボンビーム」という）をウェーハへ照射することでイオン注入を行う技術が知られている（例えば下記特許文献１参照）。リボンビームはウェーハ直径よりも幅広に形成され、このリボンビームに対してウェーハを１次元スキャンすることで、ウェーハ表面全域にイオンを注入するようにしている。

特開平７−９０５８０号公報

しかしながら、幅広のリボンビームは、例えば図３に模式的に示すようにビーム長軸方向（幅方向）に関してビーム強度分布を有している。このため、リボンビームでウェーハを１次元スキャンすると、そのビーム強度分布がそのままドーズ量の面内分布に反映されることになる。その結果、ドーズ量の面内均一性確保が困難になるという問題がある。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、リボンビームを用いたイオン注入において、ドーズ量の面内均一性を高めることができるイオン注入方法およびイオン注入装置を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明のイオン注入方法は、リボンビームに対して被処理基板を少なくとも２方向へスキャンさせるに際して、リボンビームの強度分布による被処理基板の面内分布を補正するようにスキャン速度を制御することを特徴としている。

リボンビームの強度分布を補正するようなスキャン速度の制御とは、ビーム強度とドーズ量が比例関係にあることを考慮して、ビーム強度の大きさに比例してスキャン速度を変化させることをいう。ここで、リボンビームの強度分布はビーム幅方向におけるビーム分布であり、スキャン方向は、ビーム幅方向と交差する方向である。したがって、スキャン方向を少なくとも２方向へ行い、かつ、一の方向へのスキャンに際して、他の方向へのビームスキャンの結果生じるドーズ量分布を考慮に入れてスキャン速度を制御することにより、リボンビームの強度分布を補正できる。これにより、最終的に、ドーズ量を面内においてほぼ一様化でき、面内均一性の向上を図ることが可能となる。

好適には、リボンビームの長軸方向における強度分布を測定した後、被処理基板の面内におけるリボンビームのスキャン速度を当該リボンビームの強度分布に比例させて各方向へのスキャンを行う。リボンビームのスキャン方向は、直交する２方向とすることができる。

また、本発明のイオン注入装置は、幅広のリボンビームを照射するビーム照射源と、被処理基板を支持する支持部材とを備え、リボンビームと被処理基板とを相対的に移動させてイオン注入を行うイオン注入装置において、支持部材を所定角度範囲にわたって回転させる回転機構部と、支持部材を直径方向に直線移動させる移動機構部と、リボンビームの長軸方向における強度分布を測定するビーム測定手段と、回転機構部の回転駆動および直線移動部の移動速度を制御する制御手段とを備えている。

本発明によれば、リボンビームを用いてイオン注入を行うに際して、スキャン方向を複数方向とし、かつ、少なくとも１方向へのスキャンに際しては、リボンビームの強度分布を補正するようにスキャン速度を制御することで、最終的にドーズ量が面内においてほぼ均一となるイオン注入を行うことが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１および図２は本発明の実施の形態によるイオン注入装置１を示している。本実施の形態のイオン注入装置１は、図示しない真空チャンバの内部に、リボンビーム１０を照射するビーム照射源２と、ウェーハＷを支持するステージ３とを備えている。ウェーハＷは本発明の「被処理基板」に対応し、半導体ウェーハに限らずガラス基板等で構成されていてもよい。一方、ステージ３は本発明の「支持部材」に対応する。

ビーム照射源２は図において簡略的に示しているが、その構成は、特に限定されない。例えばイオン源から引き出して質量分離した所望のイオンのみでなるイオンビームをレンズ機構やスリット機構を介して幅広のリボン状あるいはシート状に整形し後段へ導く構成や、真空チャンバで形成したプラズマからグリッドを介して引き出したイオンをリボン状に整形して後段へ導く構成等が適用可能である。

また、リボンビーム１０は、ウェーハＷ上の被ビーム照射領域の全域に照射できるように形成されていることが好ましく、本実施の形態では、ウェーハＷの直径よりも大きな幅でリボンビーム１０が形成されている。なお、被処理基板として矩形状のガラス基板等が用いられる場合には、当該基板の外形寸法よりも大きな幅でリボンビーム１０が形成される。

ステージ３には、当該ステージ３を図２において矢印Ａ方向に直線移動させる直線移動機構部４と、当該ステージ３を図２において矢印Ｂ方向に回転移動させる回転機構部５とが設けられている。直線移動機構部４および回転機構部５は、ビーム照射方向が固定されたリボンビーム１０に対して、ステージ３に支持されたウェーハＷを異なる方向へスキャンさせるためのものである。

本実施の形態において、ウェーハＷは、リボンビーム１０の幅方向（長軸方向）に対して垂直な方向（短軸方向、図２においてＡ方向）にスキャンされる。そこで、直線移動機構部４は、ウェーハＷのスキャン速度を制御し、回転機構部５はウェーハＷを９０度回転させる。ウェーハＷは、面内のＸ軸，Ｙ軸方向（図２）に１回ずつリボンビーム１０が照射される。なお説明容易のため、図２のＸ軸，Ｙ軸はウェーハＷの回転と共に回転するものとする。

直線移動機構部４によるウェーハＷの直線移動速度（スキャン速度）および回転機構部５によるウェーハＷの回転駆動は、制御部７によって制御される。制御部７は、後述するように、リボンビーム１０の長軸方向におけるビーム強度分布に基づいて、ウェーハＷのスキャン速度を制御する。リボンビーム１０の長軸方向におけるビーム強度分布の測定には、ビーム照射源２とステージ３との間に進退自在に設置されたビーム強度測定器６が用いられる。

ビーム強度測定器６は、例えばファラデーカップで構成され、駆動機構６Ａにより矢印Ｆ方向に移動可能とされている。ビーム強度測定器６は、リボンビーム１０のビーム幅全域にわたって移動することで、リボンビーム１０の長軸方向におけるビーム強度を測定し制御部７へ出力する。制御部７は、ビーム強度測定器６からの出力を受けてリボンビーム１０の長軸方向におけるビーム強度分布を取得する。

リボンビーム１０が例えば図３に示すようなビーム強度分布を有しているものとする。図３に示したように、リボンビーム１０の長軸方向（図２においてＹ軸方向）において各点のビーム強度が異なっている。したがって、このようなビーム強度分布をもったリボンビーム１０に対してウェーハＷを図２においてＸ軸方向（Ａ方向）にスキャンさせた場合、ビーム強度がドーズ量にそのまま反映されるので、スキャン終了時には図３に示したビーム強度分布と同様なドーズ量分布がウェーハ面内（Ｙ軸方向）に生じてしまう。

そこで本実施の形態では、制御部７は、リボンビーム１０のビーム強度分布による被処理基板の面内分布を補正するようにウェーハＷのスキャン速度を制御する。つまり、ビーム強度の大きさに比例してスキャン速度を変化させることによりドーズ量の調整を図るようにしている。

例えば、リボンビーム１０が図３に示したビーム強度分布を有する場合、縦軸のビーム強度をウェーハＷのスキャン速度とする。すなわち、１回目のＸ軸方向へのスキャン（注入）に際しては、あらかじめ２度目のスキャン（注入）によってもたらされる不均一な注入分布を補正するようにスキャン速度が調整される。２回目の注入では、ウェーハを９０度回転させてＹ軸方向をスキャン方向（Ａ方向）に一致させた後、１回目の注入によってもたらされた不均一な注入分布を補正するようにスキャン速度が調整される。

以上のように、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の２方向へのビームスキャンを行うにあたり、Ｘ軸方向へのビームスキャンの際にはＹ軸方向へのビームスキャンの結果生じるドーズ量分布を考慮に入れてスキャン速度を制御し、逆に、Ｙ軸方向へのビームスキャンの際にはＸ軸方向へのビームスキャンの結果生じるドーズ量分布を考慮に入れてスキャン速度を制御する。これにより、Ｘ，Ｙの両軸方向のドーズ量分布が相互に補間され、最終的に、面内においてほぼ均一なドーズ量分布を得ることが可能になる。

以下、具体例を挙げて説明する。なお、説明を分かり易くするため、リボンビームの長軸方向のビーム強度分布を図４に示したような一次関数で表す。

図５ＡはＸ軸方向へのリボンビームのスキャンの結果得られるドーズ量分布を示し、図５ＢはＸ軸方向のビームスキャンにおけるスキャン速度の制御例を示している。また、図６ＡはＹ軸方向へのリボンビームのスキャンの結果得られるドーズ量分布を示し、図６ＢはＹ軸方向のビームスキャンにおけるスキャン速度の制御例を示している。なお、図５Ａおよび図６ＡにおいてＺ軸はＸ，Ｙ軸に対して直交する軸で、ここではドーズ量の大きさを表している。Ｉｘ，Ｉｙは、それぞれＸ軸方向およびＹ軸方向のビームスキャン時におけるリボンビームのビーム強度分布（図４）を示しており、各方向へのスキャン時のビーム強度分布が不変である場合は、Ｉｘ＝Ｉｙである。

図５Ｂに示したように、Ｘ軸方向へのスキャンに際しては、Ｙ軸方向のビーム強度に比例してスキャン速度Ｖが大きくなるように制御される。この例では、スキャン速度ＶはＸ軸方向へ向かって一定の変化率αで増加する。従って、このような速度変調制御によってＸ軸方向へビームスキャンさせると、ウェーハ面内のドーズ量分布は図５Ａのようになる。その結果、図５ＡにおいてＰ１，Ｑ１，Ｒ１，Ｓ１の各点におけるドーズ量（相対値）はそれぞれｄ，２ｄ，４ｄ，２ｄとなる。

一方、図６Ｂに示したように、Ｙ軸方向へのスキャンに際しては、Ｘ軸方向のビーム強度に比例してスキャン速度Ｖが大きくなるように制御される。この例では、スキャン速度ＶはＹ軸方向へ向かって一定の変化率αで減少する。従って、このような速度変調制御によってＹ軸方向へビームスキャンさせると、ウェーハ面内のドーズ量分布は図６Ａのようになる。その結果、図６ＡにおいてＰ２，Ｑ２，Ｒ２，Ｓ２の各点におけるドーズ量（相対値）はそれぞれ４ｄ，２ｄ，ｄ，２ｄとなる。

ウェーハに注入されるイオンの最終的なドーズ量は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の各方向におけるドーズ量の総和となる。本例の場合、Ｐ点（Ｐ１，Ｐ２）、Ｑ点（Ｑ１，Ｑ２）、Ｒ点（Ｒ１，Ｒ２）およびＳ点（Ｓ１，Ｓ２）におけるドーズ量に着目すると、各点のドーズ量の総和はそれぞれ５ｄ，４ｄ，５ｄ，４ｄとなる。つまり、面内のドーズ量は４ｄから５ｄの範囲内にあり、ドーズ量の最大値と最小値との差はｄとなる。
図４に示したビーム強度分布を有するリボンビームで１方向のみのスキャンを行って、ドーズ量の平均値を一致させるような注入を行った場合、ドーズ量の最小値と最大値の差が約２．８ｄにまで広がることを考えると、本実施の形態によって面内のドーズ量のバラツキを小さく抑えることができることがわかる。

次に、以上のように構成される本実施の形態のイオン注入装置１の一動作例について説明すると、図１に示したように、まず、ビーム強度測定器６を矢印Ｆ方向に移動させて、リボンビーム１０のビーム強度分布を測定する。この測定工程は、最初のスキャンの開始前に行われる。制御部７は、ビーム強度測定器６からの出力信号に基づいて、リボンビーム１０のビーム強度分布を取得し、図５Ｂおよび図６Ｂに示したようなスキャン速度変調信号を生成する。

続いて、ビーム強度測定器６を待機位置へ退避させて、リボンビーム１０をステージ３上のウェーハＷに照射するとともに、直線移動機構部４の駆動によりウェーハＷをＸ軸方向にスキャンさせる。このビームスキャン工程は、同一方向の１回のスキャンに限らず、２回以上往復スキャンさせてもよい。

Ｘ軸方向へのビームスキャンの終了後、Ｙ軸方向へのビームスキャンが行われる。Ｙ軸方向へのビームスキャンの切替は、回転機構部５によるステージ３の９０度回転で実現される。なお、このときリボンビーム１０の照射は、ビーム照射源２側で停止される。

本実施の形態のイオン注入装置によれば、リボンビーム１０を用いてイオン注入を行うに際して、スキャン方向をＸ軸方向とＹ軸方向の２方向とし、かつ、各方向へのスキャンに際してはリボンビーム１０の強度分布を相互に補間し合うようにスキャン速度を制御するようにしているので、最終的にドーズ量が面内においてほぼ均一となるイオン注入を行うことが可能となる。

一方、リボンビーム１０を用いたイオン注入の際に、当該リボンビーム１０のビーム電流が変動する場合がある。ここでいうビーム電流値の変動とは、ビーム長軸方向の強度分布は変化せず、全体としてビーム電流値が上下した場合をいう。

そこで本実施の形態では、図７に示すように、イオン注入の際、ウェーハ６の径外方位置へ退避させたビーム強度測定器６でリボンビーム１０のビーム電流をモニターし、当該ビーム電流の変動量に対応させてウェーハＷのスキャン速度を制御するようにしている。ウェーハＷのスキャン速度制御は、ビーム強度測定器６の出力に基づいて、制御部７が直線移動機構部４の移動速度を制御することで行われる。具体的に、ビーム電流が半分になった場合はウェーハＷのスキャン速度も半分にし、ビーム電流が２倍になればスキャン速度も２倍にする。

このように、リボンビーム１０のビーム電流の変動をリアルタイムで測定し、ウェーハＷのスキャン速度にフィードバックしてドーズ量の補正を行うことで、設定ドーズ量と実ドーズ量との一致を図ることができる。

次に、本発明の実施例について図８〜図１１を参照して説明するが、本発明は以下の実施例に限定されない。

（実施例１）
図８Ａに示す形状のビーム強度分布を有するリボンビームを用いて、上述と同様な方法で当該リボンビームの強度分布による被処理基板の面内分布を補正するようにＸ，Ｙ両軸方向へスキャン速度を制御しながらイオン注入を行った。図８Ｂは、補正後の面内ドーズ量分布を示し、図８Ｃはスキャン速度を制御せずに一方向のみスキャンさせた補正無しの場合の面内ドーズ量分布を示している。図８Ｂ，ＣにおいてＸ軸はリボンビーム短軸方向、Ｙはリボンビーム長軸方向、Ｚはドーズ量をそれぞれ示している。なお、ドーズ量分布の測定は、ウェーハ面上に形成した矩形領域を対象とした。

測定エリア内におけるドーズ量分布の標準偏差（ＳＴＤ）を当該測定エリア内の平均ドーズ量（ＡＶＥ）で除した値（ＳＴＤ／ＡＶＥ）を比較したところ、図８Ｃに示す補正無しの場合は３．１％であったのに対し、図８Ｂに示す補正有りの場合では０．１３％にまで改善できた。

（実施例２）
図９Ａに示す形状のビーム強度分布を有するリボンビームを用いて、上述と同様な手法で当該リボンビームの強度分布による被処理基板の面内分布を補正するようにＸ，Ｙ両軸方向へスキャン速度を制御しながらイオン注入を行った。図９Ｂは、補正後の面内ドーズ量分布を示し、図９Ｃはスキャン速度を制御せずに一方向のみスキャンさせた補正無しの場合の面内ドーズ量分布を示している。図９Ｂ，ＣにおいてＸ軸はリボンビーム短軸方向、Ｙはリボンビーム長軸方向、Ｚはドーズ量をそれぞれ示している。なお、ドーズ量分布の測定は、ウェーハ面上に形成した矩形領域を対象とした。

測定エリア内におけるドーズ量分布の標準偏差（ＳＴＤ）を当該測定エリア内の平均ドーズ量（ＡＶＥ）で除した値（ＳＴＤ／ＡＶＥ）を比較したところ、図９Ｃに示す補正無しの場合は６．４％であったのに対し、図９Ｂに示す補正有りの場合では０．５５％にまで改善できた。

（実施例３）
図１０Ａに示す形状のビーム強度分布を有するリボンビームを用いて、上述と同様な手法で当該リボンビームの強度分布による被処理基板の面内分布を補正するようにＸ，Ｙ両軸方向へスキャン速度を制御しながらイオン注入を行った。図１０Ｂは、補正後の面内ドーズ量分布を示し、図１０Ｃはスキャン速度を制御せずに一方向のみスキャンさせた補正無しの場合の面内ドーズ量分布を示している。図１０Ｂ，ＣにおいてＸ軸はリボンビーム短軸方向、Ｙはリボンビーム長軸方向、Ｚはドーズ量をそれぞれ示している。なお、ドーズ量分布の測定は、ウェーハ面上に形成した矩形領域を対象とした。

測定エリア内におけるドーズ量分布の標準偏差（ＳＴＤ）を当該測定エリア内の平均ドーズ量（ＡＶＥ）で除した値（ＳＴＤ／ＡＶＥ）を比較したところ、図１０Ｃに示す補正無しの場合は６．９％であったのに対し、図１０Ｂに示す補正有りの場合では０．５５％にまで改善できた。

（実施例４）
図１１Ａに示す形状のビーム強度分布を有するリボンビームを用いて、上述と同様な手法で当該リボンビームの強度分布による被処理基板の面内分布を補正するようにＸ，Ｙ両軸方向へスキャン速度を制御しながらイオン注入を行った。図１１Ｂは、補正後の面内ドーズ量分布を示し、図１１Ｃはスキャン速度を制御せずに一方向のみスキャンさせた補正無しの場合の面内ドーズ量分布を示している。図１１Ｂ，ＣにおいてＸ軸はリボンビーム短軸方向、Ｙはリボンビーム長軸方向、Ｚはドーズ量をそれぞれ示している。なお、ドーズ量分布の測定は、ウェーハ面上に形成した矩形領域を対象とした。

測定エリア内におけるドーズ量分布の標準偏差（ＳＴＤ）を当該測定エリア内の平均ドーズ量（ＡＶＥ）で除した値（ＳＴＤ／ＡＶＥ）を比較したところ、図１１Ｃに示す補正無しの場合は７．１％であったのに対し、図１１Ｂに示す補正有りの場合では０．５６％にまで改善できた。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の実施の形態では、リボンビームに対して被処理基板を２方向へスキャンさせたが、これに限らず、３方向以上としてもよい。また、２つのスキャン方向は直交方向に限られない。

さらに、スキャン速度制御は全ての方向について行う場合に限らず、ビーム強度分布やウェーハ上の被照射領域（レジスト開口部）の存在分布等に応じて適宜設定することができ、１方向についてのみスキャン速度制御を行えば足りる場合には、当該１方向についてのみ行えばよい。

本発明の実施の形態によるイオン注入装置の概略構成図である。 ウェーハＷに対するビームスキャン工程を説明する概略斜視図である。 リボンビームの長軸方向におけるビーム強度分布の一例を示す図である。 リボンビームの長軸横行におけるビーム強度分布の他の例を示す図である。 図４に示したビーム強度分布を有するリボンビームでＸ軸方向へスキャンさせる工程を説明する図であり、Ａはスキャン後のドーズ量分布、Ｂはスキャン速度変調例を示している。 図４に示したビーム強度分布を有するリボンビームでＹ軸方向へスキャンさせる工程を説明する図であり、Ａはスキャン後のドーズ量分布、Ｂはスキャン速度変調例を示している。 本発明の実施の形態のイオン注入装置の一作用の説明図である。 本発明の実施例１を説明する図であり、Ａはリボンビームのビーム強度分布、Ｂは本発明の適用例の結果を示す面内ドーズ量分布、Ｃは従来技術の適用例の結果を示す面内ドーズ量分布をそれぞれ示している。 本発明の実施例２を説明する図であり、Ａはリボンビームのビーム強度分布、Ｂは本発明の適用例の結果を示す面内ドーズ量分布、Ｃは従来技術の適用例の結果を示す面内ドーズ量分布をそれぞれ示している。 本発明の実施例３を説明する図であり、Ａはリボンビームのビーム強度分布、Ｂは本発明の適用例の結果を示す面内ドーズ量分布、Ｃは従来技術の適用例の結果を示す面内ドーズ量分布をそれぞれ示している。 本発明の実施例４を説明する図であり、Ａはリボンビームのビーム強度分布、Ｂは本発明の適用例の結果を示す面内ドーズ量分布、Ｃは従来技術の適用例の結果を示す面内ドーズ量分布をそれぞれ示している。

符号の説明

１ イオン注入装置
２ ビーム照射源
３ ステージ（支持部材）
４ 直線移動機構部
５ 回転機構部
６ ビーム強度測定器（測定手段）
７ 制御部（制御手段）
１０ リボンビーム
Ｗ ウェーハ（被処理基板）

Claims (5)

1. 幅広のリボンビームと被処理基板とを、相互に直交する第１および第２の軸方向に相対的に移動させてイオン注入を行うイオン注入方法であって、
   リボンビームのビーム幅方向における強度分布を測定し、
   前記ビーム幅方向と前記第１の軸方向とを直交させ、前記強度分布に比例したスキャン速度で前記リボンビームに対して前記被処理基板を前記第１の軸方向へスキャンし、
   前記ビーム幅方向と前記第２の軸方向とを直交させ、前記強度分布に比例したスキャン速度で前記リボンビームに対して前記被処理基板を前記第２の軸方向へスキャンする
   イオン注入方法。
2. 前記リボンビームの幅を前記被処理基板の直径または外形寸法よりも大きくする請求項１に記載のイオン注入方法。
3. イオン注入時に、前記被処理基板の外方側で前記リボンビームのビーム電流をモニターし、当該ビーム電流の変動量に対応させて前記被処理基板のスキャン速度を制御する請求項２に記載のイオン注入方法。
4. 幅広のリボンビームを照射するビーム照射源と、
   被処理基板を支持する支持部材と、
   前記支持部材を所定角度範囲にわたって回転させる回転機構部と、
   前記支持部材を、相互に直交する第１および第２の軸方向のいずれかに直線移動させる直線移動機構部と、
   前記リボンビームのビーム幅方向における強度分布を測定するビーム測定手段と、
   前記回転機構部の回転駆動および前記直線移動機構部の移動速度を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   前記リボンビームを前記第１の軸方向へスキャンするときは、前記ビーム幅方向と前記第１の軸方向とが直交し、前記強度分布に比例したスキャン速度で前記支持部材が前記第１の軸方向へ移動するように前記回転機構部および前記直線移動機構部を制御し、
   前記リボンビームを前記第２の軸方向へスキャンするときは、前記ビーム幅方向と前記第２の軸方向とが直交し、前記強度分布に比例したスキャン速度で前記支持部材が前記第２の軸方向へ移動するように前記回転機構部および前記直線移動機構部を制御する
   イオン注入装置。
5. 前記ビーム測定手段は前記被処理基板の外方側で前記リボンビームのビーム電流をモニターし、前記制御手段は前記ビーム測定手段の出力に基づいて前記直線移動機構部の移動速度制御を行う請求項４に記載のイオン注入装置。