(57)【要約】【課題】BOX膜厚等のばらつきの少ないSIMOXウェーハを製造することが可能な装置および製造方法を提供する。【解決手段】複数の公転しているウェーハを真空中の装置内で加熱して酸素イオンを注入するバッチ式のイオン注入装置。前記複数の公転しているウェーハの温度を測定するための、大気側に配置された赤外線放射温度計、および前記赤外線放射温度計により、前記真空中の装置内にあるウェーハの温度を計測するための、BaF2またはZnSe製の窓を具備する。上記装置で行うSIMOXウェーハの製造方法。第１イオン注入層を形成する工程において、複数のウェーハの温度が目標温度±５℃以内に到達するようにイオン注入を行う。第２イオン注入層を形成する工程において、前記複数のウェーハの温度が目標温度±５℃以内に到達するようにイオン注入を行う。第１イオン注入層を形成する工程および第２イオン注入層を形成する工程におけるウェーハ温度の測定を前記装置の赤外線放射温度計で行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の公転しているウェーハを真空中の装置内で加熱して酸素イオンを注入するバッチ式のイオン注入装置であって、
前記複数の公転しているウェーハの温度を測定するための、大気側に配置された赤外線放射温度計、および
前記赤外線放射温度計により、前記真空中の装置内にあるウェーハの温度を計測するための、BaF2またはZnSe製の窓を具備すること特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１の装置において、前記赤外線放射温度計は、６〜１４μｍの範囲の赤外線の放射量により温度を計測するものであることを特徴とする装置。
【請求項３】
３００〜７００℃の温度において、複数の公転しているシリコンウェーハに表面から５×１０16〜５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の酸素イオンを注入して前記ウェーハ内部の所定の深さに第１イオン注入層を形成する工程と、
室温〜３００℃の温度において、前記第１イオン注入層を形成した複数の公転しているウェーハに表面から１×１０14〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の酸素イオンを注入して前記ウェーハ内部の所定の深さに、前記ウェーハ表面側の第１イオン注入層に連続してアモルファス状態の第２イオン注入層を形成する工程と、
前記ウェーハを酸素含有雰囲気中、１３００℃以上シリコン融点未満の温度で保持することにより、第１及び第２イオン注入層をＢＯＸ層とする高温熱処理工程と
をこの順に含むSIMOXウェーハの製造方法において、
前記製造方法を請求項１または２に記載の装置で行い、かつ
前記第１イオン注入層を形成する工程において、前記複数のウェーハの温度が目標温度±５℃以内に到達した後にイオン注入を行うこと、および
前記第２イオン注入層を形成する工程において、前記複数のウェーハの温度が目標温度±５℃以内に到達した後にイオン注入を行うこと、および
前記第１イオン注入層を形成する工程および第２イオン注入層を形成する工程におけるウェーハ温度の測定を前記装置の赤外線放射温度計で行うこと
を特徴とする製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の製造方法において、前記第１イオン注入層を形成する工程において、前記複数のウェーハをホイール回転させながら目標温度まで加熱することを特徴とする製造方法。
【請求項５】
請求項３または４に記載の製造方法において、前記第２イオン注入層を形成する工程において、前記複数のウェーハをホイール回転させながら目標温度まで冷却することを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主にSIMOX（Separation by IMplanted OXygen）ウェーハを製造する際に使用するイオン注入機とSIMOXウェーハの製造方法に関する。特に、本発明は、ひとつのイオン注入装置内で並行してイオン注入される複数のウェーハ間におけるBOX膜厚等のばらつきの発生を抑制できる、イオン注入機とSIMOXウェーハの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
MLD-SIMOXプロセス（米国特許5,930,643（特許文献１））は、高品質のSOI（SIMOX）ウェーハを製造できるため近年使用されている。
【０００３】
従来のSIMOXウェーハの製造における酸素イオン注入の標準のプロセスフローは、以下のとおりである。
(1)前のバッチの注入済みウェーハ搬出
(2)次のバッチのウェーハ搬入
(3)常設されているウェーハ（以下ＴＣウェーハ）温度が注入開始温度以下になるまで待機
(4)ＴＣウェーハ温度が注入開始温度以下になったらホイール回転開始
(5)ホイール回転開始と同時にウェーハのヒータ加熱開始
(6)ＴＣウェーハ温度が注入開始温度になったらイオン注入開始
【０００４】
上記標準のプロセスフローにおいては、イオン注入機のウェーハ温度は、注入されるウェーハの温度ではなく、常設されているウェーハ（ＴＣウェーハ）の裏面温度をシース熱電対によって測定している。さらに、イオン注入は、熱電対により測定したＴＣウェーハが所定の温度になったときに開始している。（特許文献２：特開2000-306541号公報）
【特許文献１】米国特許5,930,643号
【特許文献２】特開2000-306541号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者らの検討によれば、SIMOXウェーハ品質は、注入開始時のウェーハ温度に大きく影響されることが分かった。しかし、特許文献２に記載の従来の装置では、複数枚のウェーハに並行してイオン注入を行うが、注入開始時の複数枚のウェーハ温度が装置の状態（暖まっているか冷えているか）に影響を受けてばらつきやすく、ロット内およびロット間のBOX（Buried Oxide：埋め込み酸化膜）膜厚、ラフネス、BOX耐圧がばらつくという問題があった。しかし、注入開始時にイオン注入装置にセットされた複数枚のウェーハの温度を均一に制御して、ロット内およびロット間のBOX（Buried Oxide：埋め込み酸化膜）膜厚、ラフネス、BOX耐圧のばらつきを制御できる方法や装置は知られていなかった。
【０００６】
そこで本発明は、BOX膜厚等のばらつきの少ないSIMOXウェーハを製造することが可能な装置および製造方法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】
【０００７】
図２に、本発明者らが求めたイオン注入開始温度とSIMOXのBOX膜厚の関係を示す。ウェーハ間で温度差があるとこれらの品質がばらつくことが分かる。したがって、ばらつきを低減するには、注入開始時の各ウェーハの温度を揃えることが好ましい。
【０００８】
注入開始時のウェーハ温度がばらつくのは、特許文献２に記載の従来の注入装置においては、
(1)イオン注入される（すべての）ウェーハの温度を測定していない、
(2)ＴＣウェーハの温度が、イオン注入されるウェーハの温度を反映していない、ことによる。
【０００９】
すなわち、イオン注入処理されるウェーハ自体の温度が測定されず、常時装置内に設置されているＴＣウェーハの温度をウェーハ温度としていることに問題がある。例えば、注入装置が連続運転されている場合、ヒータやイオンビームによってウェーハおよび装置は暖まってくるが、注入が完了したウェーハは装置から搬出され、次に処理されるべき室温のウェーハが搬入される。それらの搬入されたウェーハの温度は、暖まっている装置内に常設されているＴＣウェーハの温度より相当低いが、注入開始は、高温のＴＣウェーハ温度で判断することになる。すなわち、装置の状態（暖まり具合）によって、ロット間のばらつきが生じることになる。この時、当然の事ながら、ＴＣウェーハはこの温度差（ばらつき）を感知できない。
【００１０】
そこで、これらの問題を解決するために、本発明者らは注入される複数ウェーハの温度を赤外線放射温度計によって全て測定できるイオン注入装置を提供し、かつこの装置を用いて、複数ウェーハ間の温度ばらつきが所定値内になってからイオン注入を開始することで、複数ウェーハ間の品質のばらつきを抑制できることを見出して本発明を完成させた。
【００１１】
本発明は、複数の公転しているウェーハを真空中の装置内で加熱して酸素イオンを注入するバッチ式のイオン注入装置であって、
前記複数の公転しているウェーハの温度を測定するための、大気側に配置された赤外線放射温度計、および
前記赤外線放射温度計により、前記真空中の装置内にあるウェーハの温度を計測するための、BaF2またはZnSe製の窓を具備すること特徴とする装置に関する。
上記の装置においては、前記赤外線放射温度計は、６〜１４μｍの範囲の赤外線の放射量により温度を計測するものであることが好ましい。
さらに本発明は、３００〜７００℃の温度において、複数の公転しているシリコンウェーハに表面から５×１０16〜５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の酸素イオンを注入して前記ウェーハ内部の所定の深さに第１イオン注入層を形成する工程と、
室温〜３００℃の温度において、前記第１イオン注入層を形成した複数の公転しているウェーハに表面から１×１０14〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の酸素イオンを注入して前記ウェーハ内部の所定の深さに、前記ウェーハ表面側の第１イオン注入層に連続してアモルファス状態の第２イオン注入層を形成する工程と、
前記ウェーハを酸素含有雰囲気中、１３００℃以上シリコン融点未満の温度で保持することにより、第１及び第２イオン注入層をＢＯＸ層とする高温熱処理工程と
をこの順に含むSIMOXウェーハの製造方法において、
前記製造方法を請求項１または２に記載の装置で行い、かつ
前記第１イオン注入層を形成する工程において、前記複数のウェーハの温度が目標温度±５℃以内に到達した後にイオン注入を行うこと、および
前記第２イオン注入層を形成する工程において、前記複数のウェーハの温度が目標温度±５℃以内に到達した後にイオン注入を行うこと、および
前記第１イオン注入層を形成する工程および第２イオン注入層を形成する工程におけるウェーハ温度の測定を前記装置の赤外線放射温度計で行うこと
を特徴とする製造方法に関する。
上記の製造方法においては、前記第１イオン注入層を形成する工程において、前記複数のウェーハをホイール回転させながら目標温度まで加熱すること、および前記第２イオン注入層を形成する工程において、前記複数のウェーハをホイール回転させながら目標温度まで冷却することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の装置および製造方法によって、BOX膜厚等ばらつきの少ないSIMOXウェーハを製造することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
［イオン注入装置］
図１に本発明のイオン注入装置の一例を模式的に示す。本発明のイオン注入装置は、複数の公転しているウェーハを真空中の装置内で加熱して酸素イオンを注入するバッチ式のイオン注入装置である。イオン注入機の注入チャンバー１内に図示されていない搬送装置によって１３枚のシリコンウェーハ２が搬入され配置されている。また、試験用に四角形のＴＣウェーハ３が常設されており、そのＴＣウェーハ３の裏面側にはシース熱電対が配設されてＴＣウェーハ３の温度を検知できるようになっている。ＴＣウェーハ３は、ＴＣウェーハ３による温度表示と赤外線放射温度計６による温度表示との違いを計測するために設けたものであり、本発明のイオン注入装置の構成要素ではない。シリコンウェーハ２の搬入後、注入チャンバー１内は図示していない真空ポンプによって排気される。
【００１４】
本発明のイオン注入装置は、複数の公転しているウェーハの温度を測定するための、大気側に配置された赤外線放射温度計、および前記赤外線放射温度計により、前記真空中の装置内にあるウェーハの温度を計測するための、BaF2またはZnSe製の窓を具備する。図１においては、注入チャンバー１壁（図示せず）にはビューポート５が設けられ、注入チャンバー１の外部からシリコンウェーハ２表面が見通せるようになっている。ビューポート５は赤外線が透過できる窓を有しており、その窓はＯリングによって真空封止されている。赤外線が透過できる窓は、BaF2またはZnSe製の窓である。さらにシリコンウェーハ２表面、ビューポート窓と一直線となる位置に、赤外線放射温度計６が配置されている。赤外線放射温度計６は、６〜１４μｍの範囲の赤外線の放射量により温度を計測するものであることが、赤外線の放射量（エネルギー量）のピークが約１０μｍにあることからその前後の波長をカバーして広範囲に良好に温度測定ができるという観点で好ましい。さらに、６〜１４μｍの範囲の赤外線に対する高い透過率を有するという観点から、前記ビューポート５は、BaF2またはZnSe製の窓とする。さらに、BaF2またはZnSe製の窓、特にZnSe製の窓は、強度が高く、かつ吸湿性を有さず、真空封止材としても優れる。
【００１５】
赤外線放射温度計６からの出力信号は、増幅器７、データロガー８を介してパソコン９に取り込まれ、リアルタイムでのウェーハ温度解析ができる。
【００１６】
尚、特開平８−３２９８７９号公報には、イオン注入装置の外側から非接触式温度計によりウェーハの温度を測定することが記載されている。しかるに、この公報には、非接触式温度計の具体例は記載されておらず、かつ真空装置であるイオン注入装置中のウェーハをどのように非接触式温度計で測定するかについては、全く記載がない。
【００１７】
［SIMOXウェーハの製造方法］
本発明のSIMOXウェーハの製造方法は、
３００〜７００℃の温度において、複数の公転しているシリコンウェーハに表面から５×１０16〜５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の酸素イオンを注入して前記ウェーハ内部の所定の深さに第１イオン注入層を形成する工程と、
室温〜３００℃の温度において、前記第１イオン注入層を形成した複数の公転しているウェーハに表面から１×１０14〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2の酸素イオンを注入して前記ウェーハ内部の所定の深さに、前記ウェーハ表面側の第１イオン注入層に連続してアモルファス状態の第２イオン注入層を形成する工程と、
前記ウェーハを酸素含有雰囲気中、１３００℃以上シリコン融点未満の温度で保持することにより、第１及び第２イオン注入層をＢＯＸ層とする高温熱処理工程と
をこの順に含むSIMOXウェーハの製造方法である。
【００１８】
上記第１イオン注入層を形成する工程、第２イオン注入層を形成する工程および第１及び第２イオン注入層をＢＯＸ層とする高温熱処理工程は、例えば、特許文献１に記載の方法や、特開２００７−２０８０２３号公報に記載の方法をそのまま実施することができる。
【００１９】
さらに、本発明のSIMOXウェーハの製造方法は、上記工程を含むことに加えて、
前記製造方法を本発明のイオン注入装置で行い、かつ
前記第１イオン注入層を形成する工程において、前記複数のウェーハの温度が目標温度±5℃以内に到達した後にイオン注入を行うこと、および
前記第２イオン注入層を形成する工程において、前記複数のウェーハの温度が目標温度±5℃以内に到達した後にイオン注入を行うこと、および
前記第１イオン注入層を形成する工程および第２イオン注入層を形成する工程におけるウェーハ温度の測定を前記装置の赤外線放射温度計で行うこと
を特徴とする。
【００２０】
本発明のSIMOXウェーハの製造方法は、イオン注入開始時にイオン注入装置にセットされた複数枚のウェーハの温度を均一に制御して、ロット内およびロット間のBOX（埋め込み酸化膜）膜厚、ラフネス、BOX耐圧のばらつきを制御する方法である。そのため、第１イオン注入層を形成する工程においては、複数のウェーハの温度が目標温度±５℃以内に到達するように制御してから、即ち、この温度範囲内に到達した後にイオン注入を行う。好ましくは、複数のウェーハの温度が目標温度±４℃以内、より好ましくは目標温度±３℃以内に到達するように制御してからイオン注入を行う。さらに、第２イオン注入層を形成する工程においては、複数のウェーハの温度が目標温度±５℃以内に到達するように制御してから、即ち、その温度範囲内に到達した後にイオン注入を行うが、好ましくは、複数のウェーハの温度が目標温度±４℃以内、より好ましくは目標温度±３℃以内に到達するように制御してからイオン注入を行う。このように、第１イオン注入層を形成する工程および第２イオン注入層を形成する工程におけるウェーハ温度の測定を、前記本発明のイオン注入装置の赤外線放射温度計で行うことで、上記のように、目標温度±５℃以内に到達するように温度を制御してからイオン注入を行うことができる。
【００２１】
具体的には、酸素イオンをシリコンウェーハ２へ注入する手順は次の通りである。まず、シリコンウェーハ２の搬入後、注入チャンバー１内は図示していない真空ポンプによって排気される。次に、シリコンウェーハ２を回転（公転）させると共に、ウェーハ温度を赤外線放射温度計で計測しながら、図示していないヒータによりシリコンウェーハ２を所定の温度まで加熱する。その際、装置内の複数（全ての）のウェーハ温度を測定し、目標温度±５℃以内に到達するように温度を制御してからイオン注入を行う。回転しているシリコンウェーハ２に向けて酸素イオンビーム４を照射し、シリコンウェーハ２の所定深さまで、所定の量の酸素イオンを注入する。
【００２２】
MLD-SIMOXプロセスにおいては、前述のように酸素イオンの注入条件は、高温注入（第１イオン注入層を形成する工程）と低温注入（第２イオン注入層を形成する工程）の２つからなる。高温注入は注入開始時のウェーハ温度が高く、かつ、注入量も多い。低温注入は注入開始時のウェーハ温度が低く、かつ、注入量も非常に少ない。どちらの注入条件もその温度のウェーハ間のばらつきが品質ばらつきへ影響を及ぼすが、低温注入時のばらつきの品質ばらつきに及ぼす影響の度合いがより大きい。そのため、低温注入（第２イオン注入層を形成する工程）における温度制御をより厳しくすることが好ましい。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。
【００２４】
実施例１
本実施例での注入条件は、高温注入（第１イオン注入層を形成する工程）については、注入エネルギ185ｋＶ、注入量４×１０17ｃｍ-2、注入開始時のウェーハ温度（目標温度；TCウェーハ温度を基準）400℃とし、400℃±５℃以内に到達するようにイオン注入を行った。低温注入（第２イオン注入層を形成する工程）については、注入エネルギ180ｋＶ、注入量４×１０15ｃｍ-2、注入開始時のウェーハ温度（TCウェーハ温度を基準）50℃とした。
【００２５】
以上の条件の下で、低温注入を行った。そのときの赤外線放射温度計によるシリコンウェーハ２の温度測定結果を図３に示す。図３(a)は注入開始直前、図３(b)は注入開始後１分、図３(c)は注入開始後５分のウェーハ温度を示している。また、各々のグラフ横には、比較すべくＴＣウェーハ温度を記載している。グラフの山は各々一枚のウェーハの温度に対応しており、谷はウェーハとウェーハの間に対応している。これらのグラフから、各ウェーハの温度が測定されていることが分かる。
【００２６】
さらに、図３(a)から注入直前のウェーハ温度がばらついており（最大66.0℃、最小43.5℃）、その温度ばらつき（ΔＴ＝（最大温度）−（最小温度））はΔＴ＝22.5℃であることが分かる。このとき、従来の熱電対で測定したＴＣウェーハの温度は90℃で、注入されるウェーハの温度とは異なっており、かつ、当然のことながら、ウェーハ間の温度ばらつきを知ることはできない。注入開始から1分後には（図３(b)）、シリコンウェーハ温度は約160℃となり、温度ばらつきもΔＴ＝20.7℃と低減していることがわかる。このときのＴＣウェーハ温度は95℃で、依然、注入されるウェーハの温度とは異なっている。さらに、注入開始後5分後には、シリコンウェーハ温度は約390℃で、ウェーハ間の温度ばらつきΔＴ＝3.3℃で、ＴＣウェーハ温度は145℃となっている。
【００２７】
以上のように本発明装置を用いれば、回転している複数枚のシリコンウェーハの温度を、注入中も含めて知ることができる。また、図２、図３からＢＯＸ膜厚ばらつきを低減するには、注入開始から時間が経過するほどウェーハ間温度差が低減していくことから、注入開始時の各ウェーハ間の温度ばらつきを少なくすることが必要であることが分かる。
【００２８】
この本発明の装置構成において、低温注入開始前のシリコンウェーハ温度を赤外線放射温度計により56℃±2.5℃と制御して酸素イオンを注入してＳＩＭＯＸウェーハを作製したときの、ＢＯＸ膜厚ばらつきを、注入開始前シリコンウェーハ温度ばらつきを制御しなかった場合と比較して表１に示す。注入開始前の複数のシリコンウェーハ温度を制御することで、これらのＳＩＭＯＸ品質ばらつきを抑えることができる。
【００２９】
実施例２および比較例１、２
実施例で用いた本発明の装置を用い、但し、比較例１および２では、赤外線放射温度計による温度測定ではなく、ＴＣウェーハ温度を用いた。この時、高温注入は同じ条件で行って、低温注入のみ異なる条件である。
【００３０】
表１に示す比較例１では、ウェーハが搬入された時のＴＣウェーハ温度は約150℃で注入開始温度が90℃であるため5分待つ必要がある。この5分後の実際のウェーハ温度は室温から搬送されてきて、装置の輻射熱で加熱されている程度なので、約47℃となっている（と膜厚結果から予想される）。比較例１では、標準注入プロセスとは異なり、ＴＣウェーハ温度が高温から90℃まで下がってきた時にホイールを回転し、注入を開始している。その結果、ウェーハ間のBOX膜厚ばらつきが大きく、かつ、注入開始時のウェーハ温度が低かったためにBOX膜も厚めになっている。
【００３１】
表１に示す比較例２では、比較例１を改善するために、ＴＣウェーハ温度を150℃から90℃になるよう設定する際、一旦、70℃まで冷却してからホイールを回転しつつヒータで90℃まで加熱するという手法を採っている。このようにすることで、ウェーハ間の温度ばらつきを低減でき、ひいては膜厚ばらつきを抑制する事ができる。しかしながら、150℃から70℃まで冷却するのに15分かかるため、装置の生産性を損なう欠点がある（通常、ウェーハ加熱機構を有するイオン注入機にウェーハ冷却機構を持たせることは難しい）。
【００３２】
表１に示す実施例２（本発明例）では、ヒータ加熱の制御を、従来のようにＴＣウェーハの温度ではなく、放射温度計で測定した実際のウェーハの温度で行うため、ＴＣウェーハ温度が150℃であっても、搬入されたばかりのウェーハの温度は40℃程度なので、すぐにホイール回転しヒータ加熱することができる。実施例２では、ウェーハ温度を52℃まで加熱し注入を開始した。この手法では待ち時間を必要としないため、注入機の生産性を損なうことが無く、かつ、BOX膜厚ばらつきも抑制することが可能である。
【００３３】
【表１】
2010044886.tif 000003
【００３４】
表２には比較例１、比較例２と本発明例の得失を比較している。上述のごとく、本発明では注入機生産性とBOX膜厚ばらつき抑制を両立できる。
【００３５】
【表２】
2010044886.tif 000004
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、半導体ウェーハの製造方法分野に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は本発明装置全体模式図である。
【図２】図２は低温注入開始時のウェーハ温度とBOX膜厚との関係を示す。
【図３】図３(a)は、放射温度計によって測定した低温注入開始直前のウェーハ温度を示し、図３(b)は、放射温度計によって測定した低温注入開始１分後のウェーハ温度を示し、図３(c)は、放射温度計によって測定した低温注入開始５分後のウェーハ温度を示す。
【符号の説明】
【００３８】
１．注入チャンバー
２．シリコンウェーハ
３．ＴＣウェーハ
４．酸素イオンビーム
５．ビューポート
６．放射温度計
７．増幅器
８．データロガー
９．パソコン
【図１】
2010044886.tif 000005
【図２】
2010044886.tif 000006
【図３】
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