イオン注入方法およびイオン注入装置
【課題】
基板の面内に形成される不均一なドーズ量分布の形状によらず、不所望なドーズ量分布である遷移領域を小さくするとともに、イオン注入処理に要する時間を短縮させることのできるイオン注入方法を提供する。
【解決手段】
このイオン注入方法は、イオンビーム３と基板１１との相対的な位置関係を変更させることによって、基板１１へのイオン注入を実施するイオン注入方法である。そして、基板１１上に均一なドーズ量分布を形成する第一のイオン注入処理と基板１１上に不均一なドーズ量分布を形成する第二のイオン注入処理とを予め決められた順番に従って行うとともに、第二のイオン注入処理時に基板１１上に照射されるイオンビーム３の断面寸法が、第一のイオン注入処理時に基板１１上に照射されるイオンビーム３の断面寸法よりも小さい。
基板の面内に形成される不均一なドーズ量分布の形状によらず、不所望なドーズ量分布である遷移領域を小さくするとともに、イオン注入処理に要する時間を短縮させることのできるイオン注入方法を提供する。
【解決手段】
このイオン注入方法は、イオンビーム３と基板１１との相対的な位置関係を変更させることによって、基板１１へのイオン注入を実施するイオン注入方法である。そして、基板１１上に均一なドーズ量分布を形成する第一のイオン注入処理と基板１１上に不均一なドーズ量分布を形成する第二のイオン注入処理とを予め決められた順番に従って行うとともに、第二のイオン注入処理時に基板１１上に照射されるイオンビーム３の断面寸法が、第一のイオン注入処理時に基板１１上に照射されるイオンビーム３の断面寸法よりも小さい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の面内に不均一なドーズ量分布を形成するイオン注入方法およびイオン注入装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板の製造工程の１つであるイオン注入工程では、基板（例えば、ウエハやガラス基板）の面内に注入されるイオンの注入量（ドーズ量とも言う）分布が不均一となるようにイオン注入処理が実施される場合がある。
【０００３】
例えば、半導体基板の製造工程において、１枚の基板上に製造される半導体デバイスの特性が基板の面内で不均一となる問題がある。
【０００４】
このような不均一な半導体デバイスの特性分布を補償する手段として、従来からイオン注入工程において基板に注入されるドーズ量を基板の面内で不均一な分布にするという手法が用いられてきた。
【０００５】
特許文献１にはその具体的な手法が開示されている。ここでは、Ｙ方向への基板の往復駆動と、Ｙ方向と直交するＸ方向にスポット状のイオンビームを電界あるいは磁界によって走査させることで、基板へのイオン注入を実現するイオン注入装置が開示されている。このタイプ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ており、このイオン注入装置を用いて、基板上でのイオンビームの位置に応じてイオンビームの走査速度を切り替えることで、基板の面内に不均一なドーズ量分布が形成される。
【０００６】
一方、半導体基板の製造工程にて、基板の利用効率を向上させる為に、１枚の基板上の異なる領域に特性の異なる半導体デバイスを製造することが行われてきた。この例が特許文献２に開示されている。
【０００７】
特許文献２では、特許文献１と同じくハイブリッドスキャン方式のイオン注入装置を用いて、基板へのイオン注入が行われている。まず、基板の中央部を挟んで、２つの異なるドーズ量分布を形成する為に、基板の中央部をイオンビームが横切る際に、イオンビームの走査速度と基板の駆動速度のいずれか一方の速度を別の速度に切り替えて基板へのイオン注入を行う。次に、基板を９０度回転させて、再び基板の中央部をイオンビームが横切る際に、イオンビームの走査速度と基板の駆動速度のいずれか一方の速度の値を切り替えてイオン注入を行う。これによって、基板上に異なるドーズ量分布をもつ４つの領域が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−１１８２３５号公報（図３〜１０、図１２〜１８）
【特許文献２】特開２００３−１３２８３５号公報（図１〜１０、段落００６２〜００６４、段落００９６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献２の段落００６２〜００６４や段落００９６に記載されているように、イオンビームの走査速度や基板の駆動速度が所望の値に切り替わるまでに、短時間ではあるが時間を要する。所望する速度に切り替わるまでの間に基板にイオンビームが照射されると、基板に遷移領域と呼ばれる不所望なドーズ量分布の領域が形成される。
【００１０】
図１１（Ａ）〜（Ｆ）には、遷移領域の形成される様子が記載されている。図１１（Ａ）には、これから基板の面内に形成しようとするドーズ量分布が描かれている。ここでは、同心円状のドーズ量分布を例に挙げており、中央領域にドーズ量Ｄ２、外周領域にドーズ量Ｄ１の領域を形成することを目的にしている。図１１（Ｂ）には、図１１（Ａ）に記載の線分Ａ−Ａで基板を切断した時のドーズ量分布の様子が描かれている。なお、図１１（Ｂ）〜（Ｅ）のグラフでの横軸は、線分Ａ−Ａ上での位置を表していて、図１１（Ａ）、図１１（Ｆ）に記載の線分Ａ−Ａは、基板の中央を通り、基板を２分している。
【００１１】
この例では、説明を簡単に行う為に、ハイブリッドスキャン方式のイオン注入装置で、イオンビームの電流密度と基板の駆動速度が常に一定であるものとしている。この場合、基板に注入されるドーズ量は、イオンビームの走査速度に反比例する。その為、図１１（Ｂ）に示すドーズ量分布を得るには、図１１（Ｃ）のようにイオンビームの走査速度を変更する必要がある。
【００１２】
ただし、走査速度の切り替えには若干の時間がかかるので、実際には図１１（Ｄ）に示されるようにイオンビームの走査速度の切り替えが行われる。その結果、図１１（Ｅ）に示すようなドーズ量分布が線分Ａ−Ａ上に形成される。最終的に基板の面内に形成されるドーズ量分布は、図１１（Ｆ）に描かれるようにドーズ量Ｄ１、ドーズ量Ｄ２の領域以外に遷移領域Ｒが形成されることになる。
【００１３】
このような遷移領域が大きいと、半導体デバイスの特性分布の補償が不十分となる等の問題が発生する。その為、この遷移領域はできるだけ小さなものにすることが望まれる。そこで、特許文献２では、このような遷移領域を小さくする為に、イオンビームの寸法を小さくすることが提案されている。具体的には、基板の中央部でＸ方向に走査されるイオンビームの走査速度を切り替える場合、イオンビームのＸ方向の寸法であるＷＸを小さくしておく。イオンビームの寸法を小さくすると、その分のビーム電流が減少する。その為、このようなイオンビームを用いて基板へのイオン注入処理を行うと、所望のドーズ量分布を達成するまでに要する時間が長くなってしまう。この対策として、Ｘ方向と直交するＹ方向のイオンビームの寸法であるＷＹを大きくし、おおよそ楕円形状のイオンビームを用いてイオン注入処理を行うことでイオンビームのビーム電流の減少を抑制することが提案されていた。
【００１４】
ただし、特許文献１や図１１に示される円形状のドーズ量分布を基板上に形成する場合、特許文献２で提案されているような楕円形状のイオンビームを用いたとしても、遷移領域を小さくし、かつ、ビーム電流の減少を抑制してイオン注入処理に要する時間を短くするといった効果を奏することはできない。
【００１５】
特許文献１や図１１に記載の円形状のドーズ量分布では、イオンビームがＸ方向に沿って基板上に走査される際に、Ｙ方向においてもドーズ量の分布が変化する。その為、Ｙ方向においても遷移領域を小さくすることを考えなければならないので、特許文献２で提案されている楕円形状のイオンビームを用いるだけでは不十分となる。
【００１６】
そこで、本発明では基板の面内に形成される不均一なドーズ量分布の形状によらず、不所望なドーズ量分布である遷移領域を小さくするとともに、イオン注入処理に要する時間を短縮することの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目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明では、イオンビームと基板との相対的な位置関係を変更させることによって、前記基板へのイオン注入を実施するイオン注入方法において、前記基板の面内に均一なドーズ量分布を形成する第一のイオン注入処理と前記基板の面内に不均一なドーズ量分布を形成する第二のイオン注入処理とを予め決められた順番に従って行うとともに、前記第二のイオン注入処理時に前記基板上に照射される前記イオンビームの断面寸法が、前記第一のイオン注入処理時に前記基板上に照射される前記イオンビームの断面寸法よりも小さいことを特徴とする。
【００１８】
このように、基板の面内に不均一な注入分布を形成する際に、大きな断面寸法を有するイオンビームを用いたイオン注入処理と小さな断面寸法を有するイオンビームを用いたイオン注入処理とを組み合わせるようにしたので、基板上に形成される遷移領域を十分に小さなものにするだけでなく、イオン注入処理に要する時間を短くすることが期待できる。
【００１９】
また、前記第一のイオン注入処理と前記第二のイオン注入処理とを用いて複数枚の基板を処理する際、複数枚の基板に対して一方のイオン注入処理を連続して行った後に、他方のイオン注入処理を連続して行うようにすることが望ましい。
【００２０】
第一のイオン注入処理と第二のイオン注入処理でイオン注入装置の運転パラメーターを変更する場合、上記した構成にしておけば、運転パラメーターを変更する回数が１回で済む。その為、運転パラメーターの変更に伴って装置を再運転させるまでに要する待ち時間をほとんど考慮する必要がないので、その分、イオン注入処理をより短時間に済ませることが期待できる。
【００２１】
さらに、イオン注入装置としては、イオンビームと基板との相対的な位置関係を変更させることによって、前記基板へのイオン注入を実施するイオン注入装置において、前記基板の面内に均一なドーズ量分布を形成する第一のイオン注入処理と前記基板の面内に不均一なドーズ量分布を形成する第二のイオン注入処理とを予め決められた順番に従って行うとともに、前記第二のイオン注入処理時に前記基板に照射されるイオンビームの断面寸法が、前記第一のイオン注入処理時に前記基板に照射されるイオンビームの断面寸法よりも小さくなるように制御する機能を有する制御装置を備えていることを特徴としている。
【００２２】
また、前記制御装置は、前記制御装置は、前記第一のイオン注入処理と前記第二のイオン注入処理とを用いて複数枚の基板を処理する際、複数枚の基板に対して一方のイオン注入処理を連続して行った後に、他方のイオン注入処理を連続して行うように制御する機能を有していることが望ましい。
【００２３】
このような装置構成にしておけば、先述のイオン注入方法と同等の効果を奏することができる。
【００２４】
さらに、次のような装置構成を採用しても良い。前記イオン注入装置には、前記基板に照射されるイオンビームを整形するビーム整形マスクが備えられており、前記制御装置は、前記第一のイオン注入処理と前記第二のイオン注入処理に応じて、前記ビーム整形マスクの位置調整を行う機能を有していることが望ましい。
【００２５】
このようにビーム整形マスクを利用すると、イオンビームの断面寸法の調整を簡単に行うことができる。
【発明の効果】
【００２６】
基板の面内に形成される不均一なドーズ量分布の形状によらず、不所望なドーズ量分布である遷移領域を小さくするとともに、イオン注入処理に要する時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に関するイオン注入装置の一例を表す平面図である。
【図２】本発明に関する不均一注入処理の一例を表すフローチャートである。
【図３】本発明の第一のイオン注入処理と第二のイオン注入処理で基板上に照射されるイオンビームの断面寸法の関係を表す。
【図４】本発明に関する不均一注入処理の別の例を表すフローチャートであり、図５のＡに続く。
【図５】本発明に関する不均一注入処理の別の例を表すフローチャートであり、図４のＡからの続きである。
【図６】本発明の第一のイオン注入処理と第二のイオン注入処理を用いて基板の面内に形成される不均一なドーズ量分布の一例を表す。
【図７】本発明の第一のイオン注入処理と第二のイオン注入処理を用いて基板の面内に形成される不均一なドーズ量分布の別の例を表す。
【図８】本発明のイオン注入装置に備えられた加速管の一例を表す。
【図９】本発明のイオン注入装置に備えられた四重極レンズの一例を表す。
【図１０】本発明のイオン注入装置に備えられたビーム整形マスクの一例を表す。
【図１１】遷移領域が形成される様子を描いた説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の図面に記載されているＸ、Ｙ、Ｚ軸の方向は、互いに直交しており、Ｚ方向はイオンビームの進行方向を、Ｘ方向はイオンビームの走査方向を示している。
【００２９】
本発明に関するイオン注入装置１の一例が図１に示されている。図１に記載のＸ、Ｙ、Ｚの各軸は後述する処理室１４内での方向を指す。このイオン注入装置１は、いわゆるハイブリッドスキャン方式のイオン注入装置であり、特許文献１や特許文献２に示されているイオン注入装置と同等の機能を有している。
【００３０】
各部の構成を簡単に説明する。イオン源２から射出されたスポット状のイオンビーム３は、質量分析マグネット４で偏向され、図示されない分析スリットでイオンビーム３より所望する成分のイオンのみが抽出される。その後、イオンビーム３は加速管５を通過することで、所望するエネルギーを有するイオンビーム３に変換される。
【００３１】
加速管５を通過後、イオンビーム３は四重極レンズ６でその形状が整形され、エネルギー分離器７に入射する。エネルギー分離器７は、例えば質量分析マグネット４と同様に電磁石で構成されており、イオンビーム３を所定の偏向量をもって偏向させることで、イオンビーム３から中性粒子や不要なエネルギー成分を分離する。
【００３２】
イオンビーム３はＸ方向において基板１１よりも長い幅を有するように、走査器８によってＸ方向に磁界あるいは電界によって走査される。
【００３３】
走査器８によって走査されたイオンビーム３は、コリメーターマグネット９でその外形がＺ方向に平行なイオンビーム３となるように偏向される。その後、イオンビーム３はビーム整形マスク１０を通過し、処理室１４内に配置された基板１１に照射される。
【００３４】
基板１１はプラテン１２上に静電吸着によって保持されていて、プラテン１２はＹ方向に延設された図示されないスキャン軸に連結されている。駆動装置１３には、モーターが設けられており、このモーターによってスキャン軸をＹ方向に沿って往復駆動させることで、基板１１の全面に対するイオンビーム３の照射が行われる。
【００３５】
このようなイオン注入装置１には、制御装置３０が設けられている。この制御装置３０は、各種電源を制御する機能を有しており、基板１１に照射されるイオンビーム３の断面寸法を調整する為に、例えば、イオン源２、加速管５、四重極レンズ６、ビーム整形マスク１０の駆動装置の各々に備えられた電源との間で、有線あるいは無線により、電気信号（Ｓ）のやり取りが行えるように構成されている。そして、後述する第一のイオン注入処理と第二のイオン注入処理との切り替えに応じて、この制御装置３０によりこれらの電源が制御される。
【００３６】
なお、この制御装置３０に上記した機能以外に、走査器８でイオンビーム３を走査する走査速度を制御したり、基板１１を駆動させる駆動速度を制御したりする機能やその他の光学要素（質量分析マグネット４やエネルギー分離器８等）を制御する機能を備えるようにしておいても良い。さらに、図示されない搬送機構により、処理室１４内に基板１１を搬送して所定の注入位置に配置する機能や注入位置より基板１１を取り出して、処理室１４外に搬出する機能を備えるようにしておいても良い。また、別の制御装置を設けておき、その制御装置に先述した走査器８等を制御する機能を設けるようにしても良い。その場合、２つの制御装置間で電気信号の通信が行える状態にしておくとともに、一方が他方を制御するような関係にしておくことが考えられる。
【００３７】
特許文献２に記載されているように、遷移領域を小さくするだけであれば基板１１に照射されるイオンビーム３の寸法を小さくすれば良い。ただし、イオンビーム３の寸法を小さくすると、基板１１の面内に所望する不均一なドーズ量分布を形成させるのに時間を要してしまう。一方で、イオンビーム３の寸法を大きくしておくと、基板１１の面内に所望する不均一なドーズ量分布を達成させる時間を短くすることができるが、遷移領域が大きくなってしまう。
【００３８】
上記の点を考慮し、本発明では基板に照射される断面寸法の異なるイオンビームを用いて２種類のイオン注入処理を行うことを特徴としている。図２には、本発明の不均一注入処理の一例を表すフローチャートが記載されている。以下、これについて説明する。
【００３９】
図２のフローチャートでは、複数枚の基板を一枚ずつ注入位置に配置させ、第一のイオン注入処理と第二のイオン注入処理を連続して行った後、処理済の基板を注入位置より取り出し、処理対象とする基板がなくなるまでこの一連の処理を繰り返す手法が記載されている。
【００４０】
より詳細には、まず、第一のイオン注入処理で、大きな断面寸法のイオンビームを用いて基板１１の面内に均一なイオン注入処理を施す。続いて、第二のイオン注入処理で、第一のイオン注入処理で用いたイオンビーム３よりも小さな断面寸法のイオンビーム３を用いて基板１１の面内に不均一なイオン注入処理を施す。最終的に、基板１１の面内に形成されるドーズ量分布は、個々のイオン注入処理によって形成されたドーズ量分布を足し合わせたものになる。なお、ここで言う、均一、不均一とは、基板の面内におけるドーズ量が全面に渡って一定の値となる（均一）か、そうでないか（不均一）という意味で用いられている。
【００４１】
このようにして、異なるイオン注入処理によるドーズ量分布を足し合わせることで、遷移領域を小さくするとともに、短時間で基板１１の面内に所望する不均一なドーズ量分布を形成することができる。なお、第一のイオン注入処理に続いて第二のイオン注入処理を行う例について述べたが、これらの関係は逆であっても良い。つまり、第二のイオン注入処理に続いて第一のイオン注入処理を行うようにしても良い。
【００４２】
図３（Ａ）〜（Ｄ）には、第一のイオン注入処理と第二のイオン注入処理で基板上に照射されるイオンビームの断面寸法の関係を表す例が示されている。図３（Ａ）は第一のイオン注入処理で使用されるイオンビーム３の断面形状であり、図３（Ｂ）〜（Ｄ）にはその外形が破線で描かれている。また、図３（Ｂ）〜（Ｄ）の実線は第二のイオン注入処理で使用されるイオンビーム３の断面形状が描かれている。
【００４３】
本発明では、第二のイオン注入処理で用いられるイオンビーム３の断面寸法の方が、第一のイオン注入処理で用いられるイオンビーム３の断面寸法に比べて小さいことを特徴としている。ここで言う断面寸法の大小関係については、次のように考える。基板１１に照射されるイオンビーム３の断面形状を考えた場合、第二のイオン注入処理で用いられるイオンビーム３の断面形状が第一のイオン注入処理で用いられるイオンビーム３の断面形状に包含されている。この場合、第二のイオン注入処理で用いられるイオンビーム３の断面寸法が、第一のイオン注入処理で用いられるイオンビーム３の断面寸法に比べて小さいという。
【００４４】
より具体的に言えば、図３（Ｂ）〜（Ｄ）に挙げられているように、第一のイオン注入処理で用いられるイオンビームの断面形状（破線）が、第二のイオン注入処理で用いられるイオンビームの断面形状（実線）を包含しているものである。
【００４５】
図４および図５には、本発明に関する不均一注入処理のフローチャートを表す別の例が示されている。図２の例との違いとして、この例では複数枚の基板に対して第一のイオン注入処理を連続して行った後に、第二のイオン注入処理が連続して行われる。なお、図２の例と同じく、第一のイオン注入処理と第二のイオン注入処理を行う順番を逆にしても良い。
【００４６】
各イオン注入処理において、イオンビーム３の断面寸法を変更するに当たって、イオン注入装置１のイオン源２や各種マグネット等の運転パラメーターの変更が行われる。例えば、図２の例では、１枚の基板を処理する度に、少なくとも各注入処理の間でこれらの運転パラメーターを変更しなければならない。さらに、運転パラメーター変更の後、基板１１に所望する断面寸法のイオンビーム３が照射されているかどうかをモニターして、所望する寸法でない場合にそれらの運転パラメーターの値を修正するといった処理が行われると、余計に時間がかかってしまう。
【００４７】
その為、図４、図５に例示したように、複数枚の基板に対して各々のイオン注入処理を連続して行った方が、イオン注入処理に要する時間を短縮させることが期待できる。なお、ここでいう複数枚の基板とは、例えばロット単位での集合を意味している。
【００４８】
図６には、本発明の第一のイオン注入処理と第二のイオン注入処理を用いて基板の面内に形成される不均一なドーズ量分布の一例が開示されている。ここでは、基板１１の一部に略リング形状を成すドーズ量が多い領域が形成される。
【００４９】
例えば、第一のイオン注入処理で基板１１の全面にドーズ量Ｄ０の均一なイオン注入を行う。その後、所定の領域にＤ１０あるいはＤ２０のドーズ量が注入されるようにイオンビーム３の基板１１上での位置に応じて、イオンビーム３の走査速度や基板１１の駆動速度が制御される。
【００５０】
図７には、基板１１の中央部分でドーズ量の異なる領域が２分されている様子が描かれている。ここに示されるようなドーズ量分布を有するものであっても、図６に示されたドーズ量分布に対して行ったイオン注入処理と同様にして、２つのイオン注入処理を行うことで小さな遷移領域を有する不均一なドーズ量分布を基板１１の面内に短時間で形成させることが可能となる。
【００５１】
基板１１へのイオン注入を行う際、第一のイオン注入処理と第二のイオン注入処理の各イオン注入処理でどれほどのドーズ量の注入を行うのかについては、次のようにして求める。
【００５２】
図６、図７において第二のイオン注入処理で注入されるドーズ量に着目する。低いドーズ量の部分（ドーズ量Ｄ１０）に対して高いドーズ量の部分（ドーズ量Ｄ２０）がどの程度の割合（ドーズ倍率と呼ぶ。数１においてＸで表す。）となるのかについて、次の数１のように表すことができる。
【００５３】
【数１】
【００５４】
この数１を変形すると、数２のように表すことができる。
【数２】
【００５５】
この数２を更に変形すると、数３のように表すことができる。
【数３】
【００５６】
ドーズ倍率Ｘは、半導体デバイスの特性を補償するにあたってどの程度の遷移領域が許容できるのか、あるいは、イオン注入装置１に備えられたイオンビーム３の走査速度や基板１１の駆動速度を切り替える際の応答特性等の条件によって許容できる値の範囲が決定される。
【００５７】
イオン注入処理の時間を短くするという観点から、ドーズ倍率Ｘは許容範囲内で最大に近い値が選択されることが望ましい。これはドーズ倍率Ｘが大きくなるほど、第一のイオン注入処理によってより多くのイオン注入がなされることになるからである。同じドーズ量の注入を行うにあたって、大きな断面寸法のイオンビーム３を用いる第一のイオン注入処理と小さな断面寸法のイオンビーム３を用いる第二のイオン注入処理では、第一のイオン注入処理を用いた方が、注入処理に要する時間が短い。その為、全体の注入処理に要する時間を短くするには、第一のイオン注入処理によるイオン注入をできるだけ長時間行う方が望ましい。
【００５８】
上述した点を考慮して、適切なドーズ倍率Ｘの値が決定されると、ドーズ量Ｄ１とドーズ量Ｄ２は所望する不均一なドーズ量分布によって決定される既知の値であることから、第一のイオン注入処理で注入されるべきドーズ量Ｄ０の値を求めることができる。こうして求められたドーズ量Ｄ０を用いて、第一のイオン注入処理が行われる。
【００５９】
イオンビームの断面寸法を調整する手法としては、様々な手法が考えられる。これについていくつかの具体例を以下に述べる。
【００６０】
図８には、図１のイオン注入装置に備えられた加速管５の一例が開示されている。この加速管５は、Ｚ方向に沿って、高電圧側電極１６、フォーカス電極１８、大地側電極１７の電位の異なる３枚の管状電極を有しており、各電極間には絶縁ガラス１５が配置されている。高電圧側電極１６と大地側電極１７との間には、加速減速電源１９が接続されており、この電源を調整することで加速管５を通過するイオンビーム３のエネルギーの調整がなされている。そして、高電圧側電極１６とフォーカス電極１８との間にはフォーカス電源２０が接続されており、このフォーカス電源２０を調整することによって各電極間に所望の電界を発生させて、そこを通過するイオンビーム３を収束あるいは発散させるように構成されている。このような構成の加速管５を用いて、第一のイオン注入処理、第二のイオン注入処理に応じて、適宜、イオンビームの断面寸法の調整を行うようにしておいても良い。
【００６１】
図９には、図１のイオン注入装置に備えられた四重極レンズ６の一例が開示されている。ここでは、電磁石を用いた四重極レンズ６の例が記載されている。この四重極レンズ６は、４つの磁極２７のそれぞれにコイル２８が巻き回されている。そして、各コイル２８に電流Ｉを流すことによって、各磁極２７の先端部に４つの極性が形成される。各磁極２７の先端部間には、磁界Ｂが発生しており、そこを通過するイオンビーム３にはローレンツ力Ｆが発生する。図９の例では、このローレンツ力Ｆによって、イオンビーム３がＸ方向に沿って短く、Ｙ方向に沿って長くなるように整形される。具体的には、図中に描かれる実線のイオンビーム３の形状が破線で描かれているように楕円形状に変形される。この四重極レンズ６で楕円形状に整形されたイオンビーム３の長手方向を図１０に描かれるビーム整形マスク１０を用いて除去してやることで、イオンビーム３の寸法を小さくすることが考えられる。なお、ここではイオンビーム３として、正の電荷を有するものを想定している。また、四重極レンズ６は図９に示された電磁石ではなく、静電レンズで構成されていても良い。
【００６２】
図１０（Ａ）〜（Ｃ）には、図１のイオン注入装置に備えられたビーム整形マスク１０の例が開示されている。この図１０（Ａ）〜（Ｃ）において、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の方向は共通している。図１０（Ａ）のビーム整形マスク１０には、大口径のスリット２１と小口径のスリット２２が設けられている。図１で示したようにこのビーム整形マスク１０が走査器８の下流側（走査器８よりも基板１１側）に設けられている為、マスクに設けられた開口部は、この図のようにイオンビーム３の走査方向に長く伸びたスリット形状となっている。
【００６３】
図１０（Ａ）の例では、第一のイオン注入処理を行う際には、大口径のスリット２１をイオンビーム３が通過するようにしておく。一方、第二のイオン注入処理を行う際には、小口径のスリット２２をイオンビーム３が通過するようにしておく。例えば、ビーム整形マスク１０はシャフト２４に連結されており、このシャフト２４が駆動装置２３によってＹ方向に移動可能に支持されている。このような機構を用いて、イオン注入処理の種類に応じてビーム整形マスク１０の位置調整がなされる。
【００６４】
図１０（Ｂ）には、１つのスリット２９を備えたビーム整形マスク１０の例が開示されている。第一のイオンビーム処理を行う場合、ビーム整形マスク１０はイオンビーム３が照射されない位置に移動される。この例の場合では、Ｙ方向逆側に図示されない駆動装置によってイオンビーム３の経路より退避させられる。そして、第二のイオン注入処理を行う場合に、イオンビーム３がスリット２９を通過するようにビーム整形マスク１０の位置調整がなされる。
【００６５】
図１０（Ｃ）には、２つの丸孔を有するビーム整形マスク１０の例が開示されている。例えば、このビーム整形マスク１０は、図１の走査器８の上流側（走査器８よりもイオン源２側）に配置しておき、走査前にイオンビームの形状を整形するようにしておく。２つの丸孔の切り替えは、図１０（Ａ）の例と同じく、大口径の丸孔２５を第一のイオン注入の際に用いて、小口径の丸孔２６を第二のイオン注入の際に用いる。また、丸孔を１つにしておいて、図１０（Ｂ）に示される１つのスリット２９の例と同じように取り扱っても良い。なお、このビーム整形マスク１０は、図９の四重極レンズ６と組み合わせて用いても良いし、イオン注入装置に備えられた四重極レンズ６とは別の光学要素と組み合わせて用いても良い。さらに、ビーム整形マスク１０を単独で用いてイオンビーム３の断面寸法を調整するようにしても良い。
【００６６】
＜その他の変形例＞
上記実施形態では、加速管５や四重極レンズ６、あるいは、ビーム整形マスク１０を用いて、イオンビーム３の断面寸法を調整する手法について述べたが、それ以外の手法を用いても良い。例えば、イオン源２の各種パラメーター（引出電極に印加する電圧値や引出電極の位置や傾き等）を調整して、基板１１に照射されるイオンビーム３の断面寸法を調整するようにしても良い。
【００６７】
さらに、これまでの実施形態では、ハイブリッドスキャン方式のイオン注入装置について述べてきたが、本発明はこの種のタイプのイオン注入装置以外への適用も可能である。例えば、基板１１を固定させておき、イオンビームを直交する２方向に走査する、ラスタースキャン方式のイオン注入装置にも適用させることは可能である。この場合、基板１１の面内に不均一なドーズ量分布を形成する為に、イオンビームの２方向における走査速度を、基板１１上の位置に応じて、適宜、調整するように構成しておけばいい。その上で、先の実施形態で述べた、異なるイオンビームの断面寸法を用いた第一のイオン注入処理と第二のイオン注入処理とを行うようにすれば良い。なお、ラスタースキャンの方式としては、基板の固定に代えて、イオンビームを固定しておき、基板を直交する２方向に駆動させる方式を採用しても良い。
【００６８】
また、１枚ずつ基板を処理する枚葉式の注入機構ではなく、複数枚の基板を一気に処理するバッチ式の注入機構を採用しても良い。その場合、図２や図４、図５で示したフローチャートにおいて、１枚ずつ基板が処理されるのではなく、複数枚の基板がまとめて処理されることになる。
【００６９】
一方で、イオン注入装置を２台用いるようにして、インライン方式で基板を連続処理するようにして良い。例えば、一方のイオン注入装置を第一のイオン注入処理に対応した運転パラメーターで運転させておき、他方のイオン注入装置を第二のイオン注入処理に対応した運転パラメーターで運転させておく。その上で、両装置の処理室を連結させておき、真空を破らずに異なる装置間に基板を連続搬送させ、順次に基板を処理していく構成とすることが考えられる。
【００７０】
その他、イオン源よりスポット状のイオンビームを射出させ、これを走査する方式のイオン注入装置について述べてきたが、イオン源よりリボン状（略長方形状）のイオンビームを射出させ、これを一平面内で基板の寸法よりも大きくなるように拡大させてから、基板に照射するといった方式のイオン注入装置にも本発明は適用できる。また、イオンビームを途中で拡大するのではなく、大きなイオン源を用意しておいて、始めから一平面内で基板の寸法よりも大きなリボン状のイオンビームを発生させる方式のイオン注入装置にも本発明は適用できる。
【００７１】
これらのイオン注入装置の場合、イオンビームの広がり方向に対して略直交する方向、つまり略長方形状のイオンビームの短辺方向に沿って、基板を駆動されることで、基板の全面に対してイオン注入が行われる。これらのイオン注入装置で、基板の面内に不均一なドーズ量分布を形成するには、基板の駆動速度を変更すれば良い。
【００７２】
そして、基板上に照射されるイオンビームの断面形状はおおよそ長方形状となるので、先の実施形態で述べた加速管や四重極レンズ、ビーム整形マスクを用いて、基板に照射されるリボン状のイオンビームの短辺方向の幅を制御することによって、第一のイオン注入処理と第二のイオン注入処理とで基板に照射されるイオンビームの断面寸法を調整するように構成すれば良い。
【００７３】
また、第一のイオン注入処理が完全に終了する前に、当該注入処理を一旦停止させておき、第二のイオン注入に切り替えて、第二のイオン注入処理の完了させた後、再び、第一のイオン注入処理の続きを行うといった順番でイオン注入処理を行っても良い。
【００７４】
その他、前述した以外に、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行っても良いのはもちろんである。
【符号の説明】
【００７５】
１．イオン注入装置
２．イオン源
３．イオンビーム
４．質量分析マグネット
５．加速管
６．四重極レンズ
７．エネルギー分離器
８．走査器
９．コリメーターマグネット
１０．ビーム整形マスク
１１．基板
１２．プラテン
１３．駆動装置
１４．処理室
３０．制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の面内に不均一なドーズ量分布を形成するイオン注入方法およびイオン注入装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板の製造工程の１つであるイオン注入工程では、基板（例えば、ウエハやガラス基板）の面内に注入されるイオンの注入量（ドーズ量とも言う）分布が不均一となるようにイオン注入処理が実施される場合がある。
【０００３】
例えば、半導体基板の製造工程において、１枚の基板上に製造される半導体デバイスの特性が基板の面内で不均一となる問題がある。
【０００４】
このような不均一な半導体デバイスの特性分布を補償する手段として、従来からイオン注入工程において基板に注入されるドーズ量を基板の面内で不均一な分布にするという手法が用いられてきた。
【０００５】
特許文献１にはその具体的な手法が開示されている。ここでは、Ｙ方向への基板の往復駆動と、Ｙ方向と直交するＸ方向にスポット状のイオンビームを電界あるいは磁界によって走査させることで、基板へのイオン注入を実現するイオン注入装置が開示されている。このタイプ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ており、このイオン注入装置を用いて、基板上でのイオンビームの位置に応じてイオンビームの走査速度を切り替えることで、基板の面内に不均一なドーズ量分布が形成される。
【０００６】
一方、半導体基板の製造工程にて、基板の利用効率を向上させる為に、１枚の基板上の異なる領域に特性の異なる半導体デバイスを製造することが行われてきた。この例が特許文献２に開示されている。
【０００７】
特許文献２では、特許文献１と同じくハイブリッドスキャン方式のイオン注入装置を用いて、基板へのイオン注入が行われている。まず、基板の中央部を挟んで、２つの異なるドーズ量分布を形成する為に、基板の中央部をイオンビームが横切る際に、イオンビームの走査速度と基板の駆動速度のいずれか一方の速度を別の速度に切り替えて基板へのイオン注入を行う。次に、基板を９０度回転させて、再び基板の中央部をイオンビームが横切る際に、イオンビームの走査速度と基板の駆動速度のいずれか一方の速度の値を切り替えてイオン注入を行う。これによって、基板上に異なるドーズ量分布をもつ４つの領域が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−１１８２３５号公報（図３〜１０、図１２〜１８）
【特許文献２】特開２００３−１３２８３５号公報（図１〜１０、段落００６２〜００６４、段落００９６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献２の段落００６２〜００６４や段落００９６に記載されているように、イオンビームの走査速度や基板の駆動速度が所望の値に切り替わるまでに、短時間ではあるが時間を要する。所望する速度に切り替わるまでの間に基板にイオンビームが照射されると、基板に遷移領域と呼ばれる不所望なドーズ量分布の領域が形成される。
【００１０】
図１１（Ａ）〜（Ｆ）には、遷移領域の形成される様子が記載されている。図１１（Ａ）には、これから基板の面内に形成しようとするドーズ量分布が描かれている。ここでは、同心円状のドーズ量分布を例に挙げており、中央領域にドーズ量Ｄ２、外周領域にドーズ量Ｄ１の領域を形成することを目的にしている。図１１（Ｂ）には、図１１（Ａ）に記載の線分Ａ−Ａで基板を切断した時のドーズ量分布の様子が描かれている。なお、図１１（Ｂ）〜（Ｅ）のグラフでの横軸は、線分Ａ−Ａ上での位置を表していて、図１１（Ａ）、図１１（Ｆ）に記載の線分Ａ−Ａは、基板の中央を通り、基板を２分している。
【００１１】
この例では、説明を簡単に行う為に、ハイブリッドスキャン方式のイオン注入装置で、イオンビームの電流密度と基板の駆動速度が常に一定であるものとしている。この場合、基板に注入されるドーズ量は、イオンビームの走査速度に反比例する。その為、図１１（Ｂ）に示すドーズ量分布を得るには、図１１（Ｃ）のようにイオンビームの走査速度を変更する必要がある。
【００１２】
ただし、走査速度の切り替えには若干の時間がかかるので、実際には図１１（Ｄ）に示されるようにイオンビームの走査速度の切り替えが行われる。その結果、図１１（Ｅ）に示すようなドーズ量分布が線分Ａ−Ａ上に形成される。最終的に基板の面内に形成されるドーズ量分布は、図１１（Ｆ）に描かれるようにドーズ量Ｄ１、ドーズ量Ｄ２の領域以外に遷移領域Ｒが形成されることになる。
【００１３】
このような遷移領域が大きいと、半導体デバイスの特性分布の補償が不十分となる等の問題が発生する。その為、この遷移領域はできるだけ小さなものにすることが望まれる。そこで、特許文献２では、このような遷移領域を小さくする為に、イオンビームの寸法を小さくすることが提案されている。具体的には、基板の中央部でＸ方向に走査されるイオンビームの走査速度を切り替える場合、イオンビームのＸ方向の寸法であるＷＸを小さくしておく。イオンビームの寸法を小さくすると、その分のビーム電流が減少する。その為、このようなイオンビームを用いて基板へのイオン注入処理を行うと、所望のドーズ量分布を達成するまでに要する時間が長くなってしまう。この対策として、Ｘ方向と直交するＹ方向のイオンビームの寸法であるＷＹを大きくし、おおよそ楕円形状のイオンビームを用いてイオン注入処理を行うことでイオンビームのビーム電流の減少を抑制することが提案されていた。
【００１４】
ただし、特許文献１や図１１に示される円形状のドーズ量分布を基板上に形成する場合、特許文献２で提案されているような楕円形状のイオンビームを用いたとしても、遷移領域を小さくし、かつ、ビーム電流の減少を抑制してイオン注入処理に要する時間を短くするといった効果を奏することはできない。
【００１５】
特許文献１や図１１に記載の円形状のドーズ量分布では、イオンビームがＸ方向に沿って基板上に走査される際に、Ｙ方向においてもドーズ量の分布が変化する。その為、Ｙ方向においても遷移領域を小さくすることを考えなければならないので、特許文献２で提案されている楕円形状のイオンビームを用いるだけでは不十分となる。
【００１６】
そこで、本発明では基板の面内に形成される不均一なドーズ量分布の形状によらず、不所望なドーズ量分布である遷移領域を小さくするとともに、イオン注入処理に要する時間を短縮することの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目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明では、イオンビームと基板との相対的な位置関係を変更させることによって、前記基板へのイオン注入を実施するイオン注入方法において、前記基板の面内に均一なドーズ量分布を形成する第一のイオン注入処理と前記基板の面内に不均一なドーズ量分布を形成する第二のイオン注入処理とを予め決められた順番に従って行うとともに、前記第二のイオン注入処理時に前記基板上に照射される前記イオンビームの断面寸法が、前記第一のイオン注入処理時に前記基板上に照射される前記イオンビームの断面寸法よりも小さいことを特徴とする。
【００１８】
このように、基板の面内に不均一な注入分布を形成する際に、大きな断面寸法を有するイオンビームを用いたイオン注入処理と小さな断面寸法を有するイオンビームを用いたイオン注入処理とを組み合わせるようにしたので、基板上に形成される遷移領域を十分に小さなものにするだけでなく、イオン注入処理に要する時間を短くすることが期待できる。
【００１９】
また、前記第一のイオン注入処理と前記第二のイオン注入処理とを用いて複数枚の基板を処理する際、複数枚の基板に対して一方のイオン注入処理を連続して行った後に、他方のイオン注入処理を連続して行うようにすることが望ましい。
【００２０】
第一のイオン注入処理と第二のイオン注入処理でイオン注入装置の運転パラメーターを変更する場合、上記した構成にしておけば、運転パラメーターを変更する回数が１回で済む。その為、運転パラメーターの変更に伴って装置を再運転させるまでに要する待ち時間をほとんど考慮する必要がないので、その分、イオン注入処理をより短時間に済ませることが期待できる。
【００２１】
さらに、イオン注入装置としては、イオンビームと基板との相対的な位置関係を変更させることによって、前記基板へのイオン注入を実施するイオン注入装置において、前記基板の面内に均一なドーズ量分布を形成する第一のイオン注入処理と前記基板の面内に不均一なドーズ量分布を形成する第二のイオン注入処理とを予め決められた順番に従って行うとともに、前記第二のイオン注入処理時に前記基板に照射されるイオンビームの断面寸法が、前記第一のイオン注入処理時に前記基板に照射されるイオンビームの断面寸法よりも小さくなるように制御する機能を有する制御装置を備えていることを特徴としている。
【００２２】
また、前記制御装置は、前記制御装置は、前記第一のイオン注入処理と前記第二のイオン注入処理とを用いて複数枚の基板を処理する際、複数枚の基板に対して一方のイオン注入処理を連続して行った後に、他方のイオン注入処理を連続して行うように制御する機能を有していることが望ましい。
【００２３】
このような装置構成にしておけば、先述のイオン注入方法と同等の効果を奏することができる。
【００２４】
さらに、次のような装置構成を採用しても良い。前記イオン注入装置には、前記基板に照射されるイオンビームを整形するビーム整形マスクが備えられており、前記制御装置は、前記第一のイオン注入処理と前記第二のイオン注入処理に応じて、前記ビーム整形マスクの位置調整を行う機能を有していることが望ましい。
【００２５】
このようにビーム整形マスクを利用すると、イオンビームの断面寸法の調整を簡単に行うことができる。
【発明の効果】
【００２６】
基板の面内に形成される不均一なドーズ量分布の形状によらず、不所望なドーズ量分布である遷移領域を小さくするとともに、イオン注入処理に要する時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に関するイオン注入装置の一例を表す平面図である。
【図２】本発明に関する不均一注入処理の一例を表すフローチャートである。
【図３】本発明の第一のイオン注入処理と第二のイオン注入処理で基板上に照射されるイオンビームの断面寸法の関係を表す。
【図４】本発明に関する不均一注入処理の別の例を表すフローチャートであり、図５のＡに続く。
【図５】本発明に関する不均一注入処理の別の例を表すフローチャートであり、図４のＡからの続きである。
【図６】本発明の第一のイオン注入処理と第二のイオン注入処理を用いて基板の面内に形成される不均一なドーズ量分布の一例を表す。
【図７】本発明の第一のイオン注入処理と第二のイオン注入処理を用いて基板の面内に形成される不均一なドーズ量分布の別の例を表す。
【図８】本発明のイオン注入装置に備えられた加速管の一例を表す。
【図９】本発明のイオン注入装置に備えられた四重極レンズの一例を表す。
【図１０】本発明のイオン注入装置に備えられたビーム整形マスクの一例を表す。
【図１１】遷移領域が形成される様子を描いた説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の図面に記載されているＸ、Ｙ、Ｚ軸の方向は、互いに直交しており、Ｚ方向はイオンビームの進行方向を、Ｘ方向はイオンビームの走査方向を示している。
【００２９】
本発明に関するイオン注入装置１の一例が図１に示されている。図１に記載のＸ、Ｙ、Ｚの各軸は後述する処理室１４内での方向を指す。このイオン注入装置１は、いわゆるハイブリッドスキャン方式のイオン注入装置であり、特許文献１や特許文献２に示されているイオン注入装置と同等の機能を有している。
【００３０】
各部の構成を簡単に説明する。イオン源２から射出されたスポット状のイオンビーム３は、質量分析マグネット４で偏向され、図示されない分析スリットでイオンビーム３より所望する成分のイオンのみが抽出される。その後、イオンビーム３は加速管５を通過することで、所望するエネルギーを有するイオンビーム３に変換される。
【００３１】
加速管５を通過後、イオンビーム３は四重極レンズ６でその形状が整形され、エネルギー分離器７に入射する。エネルギー分離器７は、例えば質量分析マグネット４と同様に電磁石で構成されており、イオンビーム３を所定の偏向量をもって偏向させることで、イオンビーム３から中性粒子や不要なエネルギー成分を分離する。
【００３２】
イオンビーム３はＸ方向において基板１１よりも長い幅を有するように、走査器８によってＸ方向に磁界あるいは電界によって走査される。
【００３３】
走査器８によって走査されたイオンビーム３は、コリメーターマグネット９でその外形がＺ方向に平行なイオンビーム３となるように偏向される。その後、イオンビーム３はビーム整形マスク１０を通過し、処理室１４内に配置された基板１１に照射される。
【００３４】
基板１１はプラテン１２上に静電吸着によって保持されていて、プラテン１２はＹ方向に延設された図示されないスキャン軸に連結されている。駆動装置１３には、モーターが設けられており、このモーターによってスキャン軸をＹ方向に沿って往復駆動させることで、基板１１の全面に対するイオンビーム３の照射が行われる。
【００３５】
このようなイオン注入装置１には、制御装置３０が設けられている。この制御装置３０は、各種電源を制御する機能を有しており、基板１１に照射されるイオンビーム３の断面寸法を調整する為に、例えば、イオン源２、加速管５、四重極レンズ６、ビーム整形マスク１０の駆動装置の各々に備えられた電源との間で、有線あるいは無線により、電気信号（Ｓ）のやり取りが行えるように構成されている。そして、後述する第一のイオン注入処理と第二のイオン注入処理との切り替えに応じて、この制御装置３０によりこれらの電源が制御される。
【００３６】
なお、この制御装置３０に上記した機能以外に、走査器８でイオンビーム３を走査する走査速度を制御したり、基板１１を駆動させる駆動速度を制御したりする機能やその他の光学要素（質量分析マグネット４やエネルギー分離器８等）を制御する機能を備えるようにしておいても良い。さらに、図示されない搬送機構により、処理室１４内に基板１１を搬送して所定の注入位置に配置する機能や注入位置より基板１１を取り出して、処理室１４外に搬出する機能を備えるようにしておいても良い。また、別の制御装置を設けておき、その制御装置に先述した走査器８等を制御する機能を設けるようにしても良い。その場合、２つの制御装置間で電気信号の通信が行える状態にしておくとともに、一方が他方を制御するような関係にしておくことが考えられる。
【００３７】
特許文献２に記載されているように、遷移領域を小さくするだけであれば基板１１に照射されるイオンビーム３の寸法を小さくすれば良い。ただし、イオンビーム３の寸法を小さくすると、基板１１の面内に所望する不均一なドーズ量分布を形成させるのに時間を要してしまう。一方で、イオンビーム３の寸法を大きくしておくと、基板１１の面内に所望する不均一なドーズ量分布を達成させる時間を短くすることができるが、遷移領域が大きくなってしまう。
【００３８】
上記の点を考慮し、本発明では基板に照射される断面寸法の異なるイオンビームを用いて２種類のイオン注入処理を行うことを特徴としている。図２には、本発明の不均一注入処理の一例を表すフローチャートが記載されている。以下、これについて説明する。
【００３９】
図２のフローチャートでは、複数枚の基板を一枚ずつ注入位置に配置させ、第一のイオン注入処理と第二のイオン注入処理を連続して行った後、処理済の基板を注入位置より取り出し、処理対象とする基板がなくなるまでこの一連の処理を繰り返す手法が記載されている。
【００４０】
より詳細には、まず、第一のイオン注入処理で、大きな断面寸法のイオンビームを用いて基板１１の面内に均一なイオン注入処理を施す。続いて、第二のイオン注入処理で、第一のイオン注入処理で用いたイオンビーム３よりも小さな断面寸法のイオンビーム３を用いて基板１１の面内に不均一なイオン注入処理を施す。最終的に、基板１１の面内に形成されるドーズ量分布は、個々のイオン注入処理によって形成されたドーズ量分布を足し合わせたものになる。なお、ここで言う、均一、不均一とは、基板の面内におけるドーズ量が全面に渡って一定の値となる（均一）か、そうでないか（不均一）という意味で用いられている。
【００４１】
このようにして、異なるイオン注入処理によるドーズ量分布を足し合わせることで、遷移領域を小さくするとともに、短時間で基板１１の面内に所望する不均一なドーズ量分布を形成することができる。なお、第一のイオン注入処理に続いて第二のイオン注入処理を行う例について述べたが、これらの関係は逆であっても良い。つまり、第二のイオン注入処理に続いて第一のイオン注入処理を行うようにしても良い。
【００４２】
図３（Ａ）〜（Ｄ）には、第一のイオン注入処理と第二のイオン注入処理で基板上に照射されるイオンビームの断面寸法の関係を表す例が示されている。図３（Ａ）は第一のイオン注入処理で使用されるイオンビーム３の断面形状であり、図３（Ｂ）〜（Ｄ）にはその外形が破線で描かれている。また、図３（Ｂ）〜（Ｄ）の実線は第二のイオン注入処理で使用されるイオンビーム３の断面形状が描かれている。
【００４３】
本発明では、第二のイオン注入処理で用いられるイオンビーム３の断面寸法の方が、第一のイオン注入処理で用いられるイオンビーム３の断面寸法に比べて小さいことを特徴としている。ここで言う断面寸法の大小関係については、次のように考える。基板１１に照射されるイオンビーム３の断面形状を考えた場合、第二のイオン注入処理で用いられるイオンビーム３の断面形状が第一のイオン注入処理で用いられるイオンビーム３の断面形状に包含されている。この場合、第二のイオン注入処理で用いられるイオンビーム３の断面寸法が、第一のイオン注入処理で用いられるイオンビーム３の断面寸法に比べて小さいという。
【００４４】
より具体的に言えば、図３（Ｂ）〜（Ｄ）に挙げられているように、第一のイオン注入処理で用いられるイオンビームの断面形状（破線）が、第二のイオン注入処理で用いられるイオンビームの断面形状（実線）を包含しているものである。
【００４５】
図４および図５には、本発明に関する不均一注入処理のフローチャートを表す別の例が示されている。図２の例との違いとして、この例では複数枚の基板に対して第一のイオン注入処理を連続して行った後に、第二のイオン注入処理が連続して行われる。なお、図２の例と同じく、第一のイオン注入処理と第二のイオン注入処理を行う順番を逆にしても良い。
【００４６】
各イオン注入処理において、イオンビーム３の断面寸法を変更するに当たって、イオン注入装置１のイオン源２や各種マグネット等の運転パラメーターの変更が行われる。例えば、図２の例では、１枚の基板を処理する度に、少なくとも各注入処理の間でこれらの運転パラメーターを変更しなければならない。さらに、運転パラメーター変更の後、基板１１に所望する断面寸法のイオンビーム３が照射されているかどうかをモニターして、所望する寸法でない場合にそれらの運転パラメーターの値を修正するといった処理が行われると、余計に時間がかかってしまう。
【００４７】
その為、図４、図５に例示したように、複数枚の基板に対して各々のイオン注入処理を連続して行った方が、イオン注入処理に要する時間を短縮させることが期待できる。なお、ここでいう複数枚の基板とは、例えばロット単位での集合を意味している。
【００４８】
図６には、本発明の第一のイオン注入処理と第二のイオン注入処理を用いて基板の面内に形成される不均一なドーズ量分布の一例が開示されている。ここでは、基板１１の一部に略リング形状を成すドーズ量が多い領域が形成される。
【００４９】
例えば、第一のイオン注入処理で基板１１の全面にドーズ量Ｄ０の均一なイオン注入を行う。その後、所定の領域にＤ１０あるいはＤ２０のドーズ量が注入されるようにイオンビーム３の基板１１上での位置に応じて、イオンビーム３の走査速度や基板１１の駆動速度が制御される。
【００５０】
図７には、基板１１の中央部分でドーズ量の異なる領域が２分されている様子が描かれている。ここに示されるようなドーズ量分布を有するものであっても、図６に示されたドーズ量分布に対して行ったイオン注入処理と同様にして、２つのイオン注入処理を行うことで小さな遷移領域を有する不均一なドーズ量分布を基板１１の面内に短時間で形成させることが可能となる。
【００５１】
基板１１へのイオン注入を行う際、第一のイオン注入処理と第二のイオン注入処理の各イオン注入処理でどれほどのドーズ量の注入を行うのかについては、次のようにして求める。
【００５２】
図６、図７において第二のイオン注入処理で注入されるドーズ量に着目する。低いドーズ量の部分（ドーズ量Ｄ１０）に対して高いドーズ量の部分（ドーズ量Ｄ２０）がどの程度の割合（ドーズ倍率と呼ぶ。数１においてＸで表す。）となるのかについて、次の数１のように表すことができる。
【００５３】
【数１】
【００５４】
この数１を変形すると、数２のように表すことができる。
【数２】
【００５５】
この数２を更に変形すると、数３のように表すことができる。
【数３】
【００５６】
ドーズ倍率Ｘは、半導体デバイスの特性を補償するにあたってどの程度の遷移領域が許容できるのか、あるいは、イオン注入装置１に備えられたイオンビーム３の走査速度や基板１１の駆動速度を切り替える際の応答特性等の条件によって許容できる値の範囲が決定される。
【００５７】
イオン注入処理の時間を短くするという観点から、ドーズ倍率Ｘは許容範囲内で最大に近い値が選択されることが望ましい。これはドーズ倍率Ｘが大きくなるほど、第一のイオン注入処理によってより多くのイオン注入がなされることになるからである。同じドーズ量の注入を行うにあたって、大きな断面寸法のイオンビーム３を用いる第一のイオン注入処理と小さな断面寸法のイオンビーム３を用いる第二のイオン注入処理では、第一のイオン注入処理を用いた方が、注入処理に要する時間が短い。その為、全体の注入処理に要する時間を短くするには、第一のイオン注入処理によるイオン注入をできるだけ長時間行う方が望ましい。
【００５８】
上述した点を考慮して、適切なドーズ倍率Ｘの値が決定されると、ドーズ量Ｄ１とドーズ量Ｄ２は所望する不均一なドーズ量分布によって決定される既知の値であることから、第一のイオン注入処理で注入されるべきドーズ量Ｄ０の値を求めることができる。こうして求められたドーズ量Ｄ０を用いて、第一のイオン注入処理が行われる。
【００５９】
イオンビームの断面寸法を調整する手法としては、様々な手法が考えられる。これについていくつかの具体例を以下に述べる。
【００６０】
図８には、図１のイオン注入装置に備えられた加速管５の一例が開示されている。この加速管５は、Ｚ方向に沿って、高電圧側電極１６、フォーカス電極１８、大地側電極１７の電位の異なる３枚の管状電極を有しており、各電極間には絶縁ガラス１５が配置されている。高電圧側電極１６と大地側電極１７との間には、加速減速電源１９が接続されており、この電源を調整することで加速管５を通過するイオンビーム３のエネルギーの調整がなされている。そして、高電圧側電極１６とフォーカス電極１８との間にはフォーカス電源２０が接続されており、このフォーカス電源２０を調整することによって各電極間に所望の電界を発生させて、そこを通過するイオンビーム３を収束あるいは発散させるように構成されている。このような構成の加速管５を用いて、第一のイオン注入処理、第二のイオン注入処理に応じて、適宜、イオンビームの断面寸法の調整を行うようにしておいても良い。
【００６１】
図９には、図１のイオン注入装置に備えられた四重極レンズ６の一例が開示されている。ここでは、電磁石を用いた四重極レンズ６の例が記載されている。この四重極レンズ６は、４つの磁極２７のそれぞれにコイル２８が巻き回されている。そして、各コイル２８に電流Ｉを流すことによって、各磁極２７の先端部に４つの極性が形成される。各磁極２７の先端部間には、磁界Ｂが発生しており、そこを通過するイオンビーム３にはローレンツ力Ｆが発生する。図９の例では、このローレンツ力Ｆによって、イオンビーム３がＸ方向に沿って短く、Ｙ方向に沿って長くなるように整形される。具体的には、図中に描かれる実線のイオンビーム３の形状が破線で描かれているように楕円形状に変形される。この四重極レンズ６で楕円形状に整形されたイオンビーム３の長手方向を図１０に描かれるビーム整形マスク１０を用いて除去してやることで、イオンビーム３の寸法を小さくすることが考えられる。なお、ここではイオンビーム３として、正の電荷を有するものを想定している。また、四重極レンズ６は図９に示された電磁石ではなく、静電レンズで構成されていても良い。
【００６２】
図１０（Ａ）〜（Ｃ）には、図１のイオン注入装置に備えられたビーム整形マスク１０の例が開示されている。この図１０（Ａ）〜（Ｃ）において、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の方向は共通している。図１０（Ａ）のビーム整形マスク１０には、大口径のスリット２１と小口径のスリット２２が設けられている。図１で示したようにこのビーム整形マスク１０が走査器８の下流側（走査器８よりも基板１１側）に設けられている為、マスクに設けられた開口部は、この図のようにイオンビーム３の走査方向に長く伸びたスリット形状となっている。
【００６３】
図１０（Ａ）の例では、第一のイオン注入処理を行う際には、大口径のスリット２１をイオンビーム３が通過するようにしておく。一方、第二のイオン注入処理を行う際には、小口径のスリット２２をイオンビーム３が通過するようにしておく。例えば、ビーム整形マスク１０はシャフト２４に連結されており、このシャフト２４が駆動装置２３によってＹ方向に移動可能に支持されている。このような機構を用いて、イオン注入処理の種類に応じてビーム整形マスク１０の位置調整がなされる。
【００６４】
図１０（Ｂ）には、１つのスリット２９を備えたビーム整形マスク１０の例が開示されている。第一のイオンビーム処理を行う場合、ビーム整形マスク１０はイオンビーム３が照射されない位置に移動される。この例の場合では、Ｙ方向逆側に図示されない駆動装置によってイオンビーム３の経路より退避させられる。そして、第二のイオン注入処理を行う場合に、イオンビーム３がスリット２９を通過するようにビーム整形マスク１０の位置調整がなされる。
【００６５】
図１０（Ｃ）には、２つの丸孔を有するビーム整形マスク１０の例が開示されている。例えば、このビーム整形マスク１０は、図１の走査器８の上流側（走査器８よりもイオン源２側）に配置しておき、走査前にイオンビームの形状を整形するようにしておく。２つの丸孔の切り替えは、図１０（Ａ）の例と同じく、大口径の丸孔２５を第一のイオン注入の際に用いて、小口径の丸孔２６を第二のイオン注入の際に用いる。また、丸孔を１つにしておいて、図１０（Ｂ）に示される１つのスリット２９の例と同じように取り扱っても良い。なお、このビーム整形マスク１０は、図９の四重極レンズ６と組み合わせて用いても良いし、イオン注入装置に備えられた四重極レンズ６とは別の光学要素と組み合わせて用いても良い。さらに、ビーム整形マスク１０を単独で用いてイオンビーム３の断面寸法を調整するようにしても良い。
【００６６】
＜その他の変形例＞
上記実施形態では、加速管５や四重極レンズ６、あるいは、ビーム整形マスク１０を用いて、イオンビーム３の断面寸法を調整する手法について述べたが、それ以外の手法を用いても良い。例えば、イオン源２の各種パラメーター（引出電極に印加する電圧値や引出電極の位置や傾き等）を調整して、基板１１に照射されるイオンビーム３の断面寸法を調整するようにしても良い。
【００６７】
さらに、これまでの実施形態では、ハイブリッドスキャン方式のイオン注入装置について述べてきたが、本発明はこの種のタイプのイオン注入装置以外への適用も可能である。例えば、基板１１を固定させておき、イオンビームを直交する２方向に走査する、ラスタースキャン方式のイオン注入装置にも適用させることは可能である。この場合、基板１１の面内に不均一なドーズ量分布を形成する為に、イオンビームの２方向における走査速度を、基板１１上の位置に応じて、適宜、調整するように構成しておけばいい。その上で、先の実施形態で述べた、異なるイオンビームの断面寸法を用いた第一のイオン注入処理と第二のイオン注入処理とを行うようにすれば良い。なお、ラスタースキャンの方式としては、基板の固定に代えて、イオンビームを固定しておき、基板を直交する２方向に駆動させる方式を採用しても良い。
【００６８】
また、１枚ずつ基板を処理する枚葉式の注入機構ではなく、複数枚の基板を一気に処理するバッチ式の注入機構を採用しても良い。その場合、図２や図４、図５で示したフローチャートにおいて、１枚ずつ基板が処理されるのではなく、複数枚の基板がまとめて処理されることになる。
【００６９】
一方で、イオン注入装置を２台用いるようにして、インライン方式で基板を連続処理するようにして良い。例えば、一方のイオン注入装置を第一のイオン注入処理に対応した運転パラメーターで運転させておき、他方のイオン注入装置を第二のイオン注入処理に対応した運転パラメーターで運転させておく。その上で、両装置の処理室を連結させておき、真空を破らずに異なる装置間に基板を連続搬送させ、順次に基板を処理していく構成とすることが考えられる。
【００７０】
その他、イオン源よりスポット状のイオンビームを射出させ、これを走査する方式のイオン注入装置について述べてきたが、イオン源よりリボン状（略長方形状）のイオンビームを射出させ、これを一平面内で基板の寸法よりも大きくなるように拡大させてから、基板に照射するといった方式のイオン注入装置にも本発明は適用できる。また、イオンビームを途中で拡大するのではなく、大きなイオン源を用意しておいて、始めから一平面内で基板の寸法よりも大きなリボン状のイオンビームを発生させる方式のイオン注入装置にも本発明は適用できる。
【００７１】
これらのイオン注入装置の場合、イオンビームの広がり方向に対して略直交する方向、つまり略長方形状のイオンビームの短辺方向に沿って、基板を駆動されることで、基板の全面に対してイオン注入が行われる。これらのイオン注入装置で、基板の面内に不均一なドーズ量分布を形成するには、基板の駆動速度を変更すれば良い。
【００７２】
そして、基板上に照射されるイオンビームの断面形状はおおよそ長方形状となるので、先の実施形態で述べた加速管や四重極レンズ、ビーム整形マスクを用いて、基板に照射されるリボン状のイオンビームの短辺方向の幅を制御することによって、第一のイオン注入処理と第二のイオン注入処理とで基板に照射されるイオンビームの断面寸法を調整するように構成すれば良い。
【００７３】
また、第一のイオン注入処理が完全に終了する前に、当該注入処理を一旦停止させておき、第二のイオン注入に切り替えて、第二のイオン注入処理の完了させた後、再び、第一のイオン注入処理の続きを行うといった順番でイオン注入処理を行っても良い。
【００７４】
その他、前述した以外に、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行っても良いのはもちろんである。
【符号の説明】
【００７５】
１．イオン注入装置
２．イオン源
３．イオンビーム
４．質量分析マグネット
５．加速管
６．四重極レンズ
７．エネルギー分離器
８．走査器
９．コリメーターマグネット
１０．ビーム整形マスク
１１．基板
１２．プラテン
１３．駆動装置
１４．処理室
３０．制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームと基板との相対的な位置関係を変更させることによって、前記基板へのイオン注入を実施するイオン注入方法において、
前記基板の面内に均一なドーズ量分布を形成する第一のイオン注入処理と前記基板の面内に不均一なドーズ量分布を形成する第二のイオン注入処理とを予め決められた順番に従って行うとともに、
前記第二のイオン注入処理時に前記基板上に照射される前記イオンビームの断面寸法が、前記第一のイオン注入処理時に前記基板上に照射される前記イオンビームの断面寸法よりも小さいことを特徴とするイオン注入方法。
【請求項２】
前記第一のイオン注入処理と前記第二のイオン注入処理とを用いて複数枚の基板を処理する際、複数枚の基板に対して一方のイオン注入処理を連続して行った後に、他方のイオン注入処理を連続して行うことを特徴とする請求項１記載のイオン注入方法。
【請求項３】
イオンビームと基板との相対的な位置関係を変更させることによって、前記基板へのイオン注入を実施するイオン注入装置において、
前記基板の面内に均一なドーズ量分布を形成する第一のイオン注入処理と前記基板の面内に不均一なドーズ量分布を形成する第二のイオン注入処理とを予め決められた順番に従って行うとともに、前記第二のイオン注入処理時に前記基板に照射されるイオンビームの断面寸法が、前記第一のイオン注入処理時に前記基板に照射されるイオンビームの断面寸法よりも小さくなるように制御する機能を有する制御装置を備えていることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記第一のイオン注入処理と前記第二のイオン注入処理とを用いて複数枚の基板を処理する際、複数枚の基板に対して一方のイオン注入処理を連続して行った後に、他方のイオン注入処理を連続して行うように制御する機能を有していることを特徴とする請求項３記載のイオン注入装置。
【請求項５】
前記イオン注入装置には、前記基板に照射されるイオンビームを整形するビーム整形マスクが備えられており、前記制御装置は、前記第一のイオン注入処理と前記第二のイオン注入処理に応じて、前記ビーム整形マスクの位置調整を行う機能を有していることを特徴とする請求項３または４記載のイオン注入装置。
【請求項１】
イオンビームと基板との相対的な位置関係を変更させることによって、前記基板へのイオン注入を実施するイオン注入方法において、
前記基板の面内に均一なドーズ量分布を形成する第一のイオン注入処理と前記基板の面内に不均一なドーズ量分布を形成する第二のイオン注入処理とを予め決められた順番に従って行うとともに、
前記第二のイオン注入処理時に前記基板上に照射される前記イオンビームの断面寸法が、前記第一のイオン注入処理時に前記基板上に照射される前記イオンビームの断面寸法よりも小さいことを特徴とするイオン注入方法。
【請求項２】
前記第一のイオン注入処理と前記第二のイオン注入処理とを用いて複数枚の基板を処理する際、複数枚の基板に対して一方のイオン注入処理を連続して行った後に、他方のイオン注入処理を連続して行うことを特徴とする請求項１記載のイオン注入方法。
【請求項３】
イオンビームと基板との相対的な位置関係を変更させることによって、前記基板へのイオン注入を実施するイオン注入装置において、
前記基板の面内に均一なドーズ量分布を形成する第一のイオン注入処理と前記基板の面内に不均一なドーズ量分布を形成する第二のイオン注入処理とを予め決められた順番に従って行うとともに、前記第二のイオン注入処理時に前記基板に照射されるイオンビームの断面寸法が、前記第一のイオン注入処理時に前記基板に照射されるイオンビームの断面寸法よりも小さくなるように制御する機能を有する制御装置を備えていることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記第一のイオン注入処理と前記第二のイオン注入処理とを用いて複数枚の基板を処理する際、複数枚の基板に対して一方のイオン注入処理を連続して行った後に、他方のイオン注入処理を連続して行うように制御する機能を有していることを特徴とする請求項３記載のイオン注入装置。
【請求項５】
前記イオン注入装置には、前記基板に照射されるイオンビームを整形するビーム整形マスクが備えられており、前記制御装置は、前記第一のイオン注入処理と前記第二のイオン注入処理に応じて、前記ビーム整形マスクの位置調整を行う機能を有していることを特徴とする請求項３または４記載のイオン注入装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１６０３８６（Ｐ２０１２−１６０３８６Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０３６２（Ｐ２０１１−２０３６２）
【出願日】平成２３年２月２日（２０１１．２．２）
【出願人】（３０２０５４８６６）日新イオン機器株式会社 (161)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２日（２０１１．２．２）
【出願人】（３０２０５４８６６）日新イオン機器株式会社 (161)
【Ｆターム（参考）】
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