(57)【要約】【課題】  イオン注入において、深さ方向だけではなく面方向にも濃度ムラを低減する。【解決手段】  イオンに反応して固体の反応生成物を生じさせるガスを試料室に導入し、注入時に反応生成物を試料上に堆積させる。この堆積物がイオンビームに対して障害となるので、注入時間の経過に伴って堆積物が厚くなると、注入深さは表面側に徐々にずれ、同じ深さに所定量以上注入されることはない。堆積物が所定の厚さに達した領域では、さらにイオンビームが照射されても、イオンは試料表面まで達しない。即ち、イオンビームの照射量の多い領域と少ない領域の違いは、多い領域の方が先に試料表面まで注入されるだけである。従って、試料室の環境条件を一定に保つことで反応生成物の生成速度を一定に保ち、堆積物の最も薄いところが所定の厚さになるまで注入を行えば、注入の濃度は、面方向にも深さ方向にもほぼ均一になる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン注入の対象である試料が配置される試料室と、目的元素のイオンを生成するイオン源と、生成された前記目的元素のイオンを所定の注入エネルギーに加速して前記試料に注入する打ち込み部とを有するイオン注入装置において、
前記目的元素のイオンを加速して注入する際に、イオンに反応して固体の反応生成物を生じさせるガスであって前記目的元素のガスとは異なる堆積用ガスを、前記試料室に導入するガス導入部を備えた
ことを特徴とするイオン注入装置。
【請求項２】
請求項１に記載のイオン注入装置において、
前記堆積用ガスが導入される間に、前記堆積用ガスの導入の流量を制御すると共に前記試料室内のガスを排気させることで、前記試料室内の圧力を制御する排気制御部を有する
ことを特徴とするイオン注入装置。
【請求項３】
目的元素のイオンを所定の注入エネルギーに加速して、試料室内に配置された試料に打ち込むイオン注入方法において、
イオンに反応して固体の反応生成物を生じさせるガスであって前記目的元素のガスとは異なる堆積用ガスを前記試料室に導入し、前記堆積用ガスの導入の流量を制御すると共に前記試料室内のガスを排気することによって前記試料室内の圧力を制御し、前記試料室内の圧力が制御された下で、加速条件を変えずに連続的にイオンを打ち込む
ことを特徴とするイオン注入方法。                                                                                
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン注入装置及びイオン注入方法に関する。特に本発明は、イオン注入において、注入される不純物元素の濃度ムラを低減する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板中に不純物拡散領域を形成する方法として、イオン注入が知られている。イオン注入工程では、注入深さに応じた加速電圧により所定の注入エネルギーに加速された不純物元素のイオンが、半導体基板に打ち込まれる。ここで、イオン種及び加速電圧を固定した場合、注入された不純物元素の深さ方向の濃度分布は、一定の深さにピークを有するものとなり、均一にはならない。従って、深さ方向の濃度分布を均一にするためには、加速電圧等の条件を変えて複数回に分けてイオン注入を行えばよいが、その場合、スループットが悪くなる。
【０００３】
そこで、特許文献１は、イオンに対する加速電圧を連続的に変えることにより、注入工程を複数回に分けることなく、イオンの注入エネルギーを連続的に変化させる方法を提案している。この場合、注入された不純物元素の深さ方向の濃度分布は、連続的に変えた注入エネルギーのそれぞれに対応する深さにそれぞれピークを有するものとなる。これにより、イオン注入を複数回に分けることなく、注入される不純物元素の深さ方向の濃度の均一化を図っている。
【０００４】
また、特許文献２は、イオンの注入期間を通して、半導体基板を振動させる方法を提案している。この方法は、イオンが半導体基板に衝突するときの注入エネルギーを半導体基板の振動によって相対的に変化させ、注入深さに幅を持たせることを図ったものである。
【特許文献１】特開平８−２２７９９号公報
【特許文献２】特開平７−１２２２２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１及び特許文献２の方法は、半導体基板の深さ方向には濃度ムラを低減可能であるが、それに直交する方向（半導体基板の面方向）には濃度ムラを低減できない。面方向における濃度の均一化は、通常、イオンビームの走査を半導体基板に対して一筆書きにし、この走査を多数回繰り返すことにより行われている。しかし、ビームの走査ムラを完全になくすことは不可能であったため、面方向の濃度ムラを完全になくすことは困難であった。面方向の濃度ムラは、例えば固体撮像素子では、各画素の受光部の感度をバラつかせる要因となる。受光部の感度が画素領域によって大きくバラついていると、撮像画像に僅かな輝度ムラが生じるおそれがある。従って、深さ方向だけではなく、面方向にもできる限り濃度ムラを低減することが望まれていた。
【０００６】
本発明の目的は、イオン注入において、深さ方向だけではなく、面方向にも濃度ムラを低減する技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、試料室と、イオン源と、打ち込み部とを有するイオン注入装置において、ガス導入部を備えたことを特徴とする。ここで、試料室には、イオン注入の対象である試料が配置され、イオン源は、目的元素のイオンを生成し、打ち込み部は、生成された目的元素のイオンを所定の注入エネルギーに加速して試料に注入する。目的元素のイオンが加速されて注入される際に、ガス導入部は、イオンに反応して固体の反応生成物を生じさせるガスであって目的元素のガスとは異なる堆積用ガスを試料室に導入する。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１のイオン注入装置において、排気制御部を有することを特徴とする。排気制御部は、堆積用ガスが導入される間に、堆積用ガスの導入の流量を制御すると共に試料室内のガスを排気させることで、試料室内の圧力を制御する。
請求項３の発明は、目的元素のイオンを所定の注入エネルギーに加速して、試料室内に配置された試料に打ち込むイオン注入方法において、以下の点を特徴とする。即ち、イオンに反応して固体の反応生成物を生じさせるガスであって目的元素のガスとは異なる堆積用ガスを試料室に導入し、堆積用ガスの導入の流量を制御すると共に試料室内のガスを排気することによって試料室内の圧力を制御し、試料室内の圧力が制御された下で、加速条件を変えずに連続的にイオンを打ち込む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、イオンに反応して固体の反応生成物を生じさせるガスを試料室に導入することで、注入時に反応生成物を試料上に堆積させる。堆積物がイオンビームに対して障害となるので、注入時間の経過に伴って堆積物が厚くなると、その厚さの増加に応じた分だけ、注入深さは表面側に自然にずれていく。従って、深さ方向の濃度ムラを低減するために加速電圧を変えて複数回に分けて注入する必要はない。
【００１０】
堆積物が所定の厚さに達した領域では、さらにイオンビームが照射されても、イオンは試料表面まで達しない。即ち、イオンビームの照射量の多い領域と少ない領域の違いは、多い領域の方が先に試料表面まで注入されるだけである。従って、試料室の環境条件を一定に保つことで反応生成物の生成速度を一定に保ち、堆積物の最も薄いところが所定の厚さになるまで注入を行えば、面方向及び深さ方向の濃度ムラは、従来よりも低減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、イオン注入装置の構成、注入工程、効果、補足事項の順に説明する。
図１は、本実施形態のイオン注入装置１０の概略構成を示すブロック図である。図に示すように、イオン注入装置１０内には、イオン源１４、質量分析部１８、加速電極２２、走査部２４がイオンの経路に沿って配置されている。また、イオン注入装置１０は、試料室２６、ガス導入部２８、排気部３４、環境制御部３８を有する。試料室２６内には、ステージ（試料台）４０と、測定部４６とが配置され、ステージ４０上には、半導体ウェハ５０が固定される。図中のＧＮＤは、接地電位（アース）を示す。なお、請求項記載の打ち込み部は、質量分析部１８、加速電極２２、走査部２４に対応し、請求項記載の排気制御部は、排気部３４、測定部４６、環境制御部３８に対応する。
【００１２】
イオン源１４は、注入する元素（目的元素）をイオン化する。イオン化された元素は、不図示の引き出し電極により引き出されて、質量分析部１８に入る。質量分析部１８は、イオン源１４で生成されたイオンから、注入するイオン（所定の質量であり、本実施形態ではプラスのイオン）のみを質量分析によって選別する。加速電極２２は、質量分析部１８により選別されたイオンを、アース側に向けて所定の注入エネルギーに加速する。加速されたイオンは、走査部２４によりＸＹ方向（半導体ウェハ５０の面方向）に走査され、イオンビームとして半導体ウェハ５０に注入される。
【００１３】
ガス導入部２８は、イオン注入の際に、試料室２６内に反応性ガス（請求項記載の堆積用ガスに対応）を導入する。なお、イオン源１４は例えばガスをプラズマ化することでイオンを生成するが、ここでの反応性ガスは、イオン源１４で用いられるガスとは異なる。また、ガス導入部２８は、導入時の反応性ガスの温度、及び流入速度（単位時間当たりの反応性ガスの流入量）を、環境制御部３８の指令に従った値になるように制御する。
【００１４】
排気部３４は、環境制御部３８から指令される排気速度（単位時間当たりの排気量）で、試料室２６内のガスを試料室２６外へ排気する。
ステージ４０は、照射によって半導体ウェハ５０の温度が高くなり過ぎないように、半導体ウェハ５０を冷却する。どの程度冷却するかは、環境制御部３８により制御される。
測定部４６は、試料室２６内の圧力及び温度を測定して、環境制御部３８に伝達する。
【００１５】
環境制御部３８は、イオンが注入される期間を通して、試料室２６内の温度及び反応性ガスの濃度が所定値に維持されように、ガス導入部２８、排気部３４、及びステージ４０を制御する。この制御は、測定部４６から伝達される温度及び圧力に基づいて行われる。
ここで、反応性ガスの導入は、イオン注入装置１０のチャンバー内（図の点線及び太線の枠内に相当し、試料室２６を含む）を真空状態にしてから行われるので、試料室２６内には他のガスが殆ど存在しない（イオンビームとの反応により生成され得る別種のガスを除く）。従って、圧力と、反応性ガスの流入速度と、排気速度とから反応性ガスの濃度を算出可能である。
【００１６】
以上の構成により、半導体ウェハ５０の上方雰囲気は、イオンが打ち込まれる際に、環境制御部３８により制御された所定の濃度で存在する反応性ガスにより覆われる。そして、イオンは、この反応性ガスの雰囲気を通って半導体ウェハ５０に注入される。ここで、反応性ガスには、イオン注入が行われる通常の温度（例えば約３００ケルビン）の下では、電荷を持つ粒子、即ち、イオンと反応して、固体の反応生成物を生じさせるものを用いる。そのようなガスとしては、例えば、タングステンカルボニル（Ｗ（ＣＯ）6）などの金属カルボニルガスや、フェナントレン（Ｃ14Ｈ10）等が挙げられる。
【００１７】
上記の反応性ガスは、一分子中に複数の炭素間共有結合（Ｃ−Ｃ結合）を有する。従って、プラスに帯電しており運動エネルギーを持ったイオンが上記の反応性ガスに接触または接近すると、クーロン力の作用により、反応性ガスの炭素結合が切断され、反応性ガスは炭化して（即ち、固体となり）半導体ウェハ５０上に堆積すると考えられる。このように、イオン注入時に半導体ウェハ５０上に反応生成物を堆積させることが本発明の主な特徴であり、堆積しやすくするため、ガス導入部２８のガス導入口は半導体ウェハ５０の表面近傍に配置されている。
【００１８】
なお、注入するイオンはマイナスに帯電したものであってもよく、その場合も上記と同じ反応性ガスを用いれば、同様に炭化して堆積すると考えられる。また、アクセプタ型不純物として用いられる通常の元素（ボロン、アルミニウム、ガリウムなど）、または、ドナー型不純物として用いられる通常の元素（リン、砒素、アンチモンなど）であれば、どれをイオン化して注入に用いても、上記の反応は発生すると考えられる。また、反応性ガスが固体の反応生成物を生じさせる化学反応は、環境制御部３８により制御される反応性ガスの濃度に応じた確率で発生する。
【００１９】
図２は、上述のイオン注入装置１０を用いたイオン注入工程の要部の前半を示す模式的工程断面図であり、図３は、その後半を示す模式的工程断面図である。なお、半導体ウェハ５０上にパターンとなるマスクが形成されている場合、図の断面は、マスクの開口した部分に対応する。上記の反応生成物はマスク上にも堆積するが、マスクの非開口部分は、本実施形態の作用効果には特に係わらないので図示していない。以下、図２及び図３を用いて、本実施形態のイオン注入方法を説明する。
【００２０】
まず、チャンバー内を真空にする。次に、ガス導入部２８は、試料室２６内への反応性ガスの導入を開始する。反応性ガスには、例えばタングステンカルボニル（Ｗ（ＣＯ）6）、或いはフェナントレン（Ｃ14Ｈ10）を用いる。次に、排気部３４は、試料室２６内から試料室２６外への排気を開始する。また、測定部４６は、試料室２６内の温度及び圧力の測定を開始し、測定値は環境制御部３８に順次伝達される。
【００２１】
環境制御部３８は、測定された圧力と、反応性ガスの流入速度と、排気速度とに基づいて反応性ガスの濃度を求め、その濃度が所定値になるように、ガス導入部２８による反応性ガスの流入速度、及び排気部３４の排気速度を制御する。濃度の所定値をどう設定するかについては、後述する。また、環境制御部３８は、測定された温度に基づいて、ステージ４０の温度、及びガス導入部２８による反応性ガスの導入時の温度を制御する。
【００２２】
そして、測定部４６が検出する温度及び圧力が所定値に達して、その値が維持されるようになると、注入（イオンビームの照射）を開始する。イオンビームの生成方法及び照射方法は、従来と同様であり、単位時間、単位面積当たりの照射量が一定になるように、半導体ウェハ５０の面方向に一筆書きの走査が行われる。なお、注入は、イオン種、加速電圧を変えずに連続的に行う。図２（ａ）は、注入開始時を示す。ここで、Ｐ型の不純物拡散領域を形成する場合、イオンには例えばプラスに帯電したボロンを用い、Ｎ型の不純物拡散領域を形成する場合、イオンには例えばプラスに帯電したリンを用いる。
【００２３】
イオンビームが照射されると、反応性ガスは、その濃度に応じた確率で反応し、前述したように固体の反応生成物が生成されて半導体ウェハ５０上に堆積する。反応生成物が堆積していない注入開始時には、イオンは、その質量と加速電圧によって決まる深さに注入される。しかし、注入を続けると、半導体ウェハ５０上に堆積する反応生成物が物理的に障害となり、注入深さは浅くなる。半導体ウェハ５０上の堆積物が厚いほど、その時点での注入深さは浅くなる。即ち、注入開始時には最も深くに注入され、照射時間の経過に伴って堆積物の厚みが増し、注入深さは徐々に浅くなる。図２（ｂ）は、注入初期の状態、即ち、半導体ウェハ５０の深い位置にイオンが注入された状態を示す。
【００２４】
ここで、反応性ガスの濃度が高いほど、単位時間当たりの反応生成物の生成量が多くなり、堆積速度が速くなるので、イオン種は、高濃度で注入できなくなる。即ち、形成する不純物拡散領域の深さと、イオン種（質量）とに応じて加速電圧を決定し、得たい不純物濃度に応じて、ドーズ量、反応性ガスの濃度の所定値、及び試料室２６の温度を決定すればよい。ここで、温度も考慮する理由は、化学反応の速度が温度に依存するからである。また、注入期間中に試料室２６内の温度及び反応性ガスの濃度を一定に保つ理由は、単位時間当たりの反応生成物の生成量を一定にして、注入されるイオンの濃度ムラをなくすためである。
【００２５】
なお、ガス導入口が半導体ウェハ５０の表面近傍に配置されているので、試料室２６内の圧力は半導体ウェハ５０近傍で局所的に高く、測定部４６が測定する圧力は、半導体ウェハ５０近傍の圧力より低くなると考えられる。しかし、測定部４６が測定する圧力が一定で維持されていれば、半導体ウェハ５０近傍における圧力及び反応性ガスの濃度も一定で維持されているので、濃度ムラをなくすという点からは問題ない。
【００２６】
図２（ｃ）は、図２（ｂ）の後、さらに注入を続けた状態を示す。ここで、イオンビームの走査ムラが若干生じるため、半導体ウェハ５０上において、イオンビームの照射量が多い箇所ほど、反応生成物の生成量は多くなり、堆積物が厚くなる。即ち、イオンビームの走査ムラが、半導体ウェハ５０上における堆積物の厚さムラとなって表れる。堆積物が厚い箇所では、その時点での注入深さは浅くなり、堆積物が薄い箇所では、その時点での注入深さは深くなる。従って、同じタイミングでも、注入深さは半導体ウェハ５０の領域毎に異なる。
【００２７】
図３（ｄ）は、図２（ｃ）の後、さらに注入を続けた状態を示す。一部の領域では、堆積物の厚さが所定以上になっているため、さらにイオンビームが照射されても、イオンは半導体ウェハ５０の表面までは達しない。そのような領域では、すでに半導体ウェハ５０の表面までイオンが注入されており、それ以上はイオンは注入されない。反対に堆積物が薄い部分は、照射量が少ない箇所であり、注入領域は半導体ウェハ５０の表面までは達していない。さらに注入を続けると、反応生成物の堆積層は厚くなり、堆積物が最も薄い部分においても、イオンが半導体ウェハ５０の表面まで届かなくなる。図３（ｅ）は、この状態を示している。
【００２８】
この後、半導体ウェハ５０上の堆積物及びマスクを除去する。図３（ｆ）は、半導体ウェハ５０上の堆積物を除去した状態を示す。なお、堆積物は、有機物であるので、レジスト剥離液やアッシング等により除去できる。アッシングとは、オゾンやプラズマ等により形成したラジカル酸素を用いて有機物を灰化して除去する方法であり、例えば真空中で灰化物を吸引しながら行われる。また、ラジカル酸素は無機物を灰化しないので、アッシングにより半導体ウェハ５０の表面が損傷することはない。そして、後の工程では、熱処理が施され、注入したイオンをドナー型またはアクセプタ型不純物として機能させる。以上が本実施形態のイオン注入方法の説明であり、以下、その効果を説明する。
【００２９】
本実施形態ではイオンの加速条件を変えず、堆積物を半導体ウェハ５０上に積層しながら連続的に注入する。この堆積物は、半導体ウェハ５０の内部に向けて加速されたイオンに対して障害となるので、照射時間の経過に伴う堆積物の厚みの増加量に比例した長さだけ、注入深さは表面側に自然にずれていく。従って、深さ方向の濃度分布は均一になるので、加速電圧を変えて複数回に分けて注入する必要はなく、スループットは低下しない。
【００３０】
また、加速条件や環境条件は一定なので、面方向におけるある領域の、ある時点での注入深さは、その時点でのその領域上の堆積物の厚さにより決まる。どの領域上の堆積物の厚みも、その領域への照射量に比例した分だけ増加し、堆積物が所定の厚さに達した領域では、さらにイオンビームが照射されても、イオンは半導体ウェハ５０の表面まで達しない。即ち、照射量が多い領域と少ない領域の違いは、多い領域の方が先に半導体ウェハ５０の表面まで注入されるだけであり、面方向の濃度ムラは生じない。
【００３１】
従って、上述のように反応性ガスの濃度等の試料室２６の環境条件を一定に保つことで反応生成物の生成速度を一定に保てば、堆積物の最も薄いところが所定厚さになるまでイオンビームを照射するだけで、注入の濃度は、面方向にも深さ方向にも均一になる。また、加速電圧、反応性ガスの濃度等の条件を適切に選択すれば、半導体ウェハ５０の深さ方向の厚みが大きく、濃度が均一な不純物拡散領域も形成できる。
【００３２】
従来技術における面方向の濃度の均一化は、一筆書きの走査を多数回繰り返して、イオンビームの走査ムラを低減することにのみ依存していたが、本実施形態では、堆積物の厚さムラに拘らず均一に注入できるので、走査ムラが生じてもかまわない。従って、例えばイオンビームの径を太くして、一筆書きの走査の回数を従来より少なくしてもよいので、スループットを向上できる。以上が本実施形態の効果説明であり、以下、補足事項を説明する。
【００３３】
上述のようにイオンビームの走査ムラを堆積物の厚さムラとして生じさせることが本発明の原理であり、それが確実に実現されるようにイオンビームの照射方向及び半導体ウェハ５０の固定方向を決めることが望ましい。しかし、一般的なイオン注入装置の規模を考慮すれば、チルト角度に応じてイオンビームの照射方向を変えることは容易ではないと考えられる。また、重力を考慮すれば、固体の反応生成物は、生成された位置から鉛直方向にほぼ真下の位置に落ちて堆積する可能性が高いと考えられる。
【００３４】
以上を考慮すれば、例えばイオンビームの照射方向が鉛直方向真下になるようにイオン注入装置１０を設計し、半導体ウェハ５０の厚さ方向をチルト角度の分だけ鉛直方向から傾ければよい。なお、反応生成物は、重力のみによって堆積するのではなく、イオンビームの勢いによっても半導体ウェハ５０表面に付着して堆積すると考えられるので、半導体ウェハ５０の厚さ方向が鉛直方向から大きく傾いていても、本発明は十分に実施可能である。また、イオンビームの照射方向が変更可能であれば、半導体ウェハ５０の厚さ方向を鉛直方向に固定し、チルト角度に応じてイオンビームの照射方向を変更してもよい。
【００３５】
半導体ウェハ５０にイオンを注入する例を述べたが、注入の対象である試料は、半導体ではなく、他のものでもよい。また、反応性ガスとして、タングステンカルボニル（Ｗ（ＣＯ）6）などの金属カルボニルガスや、フェナントレン（Ｃ14Ｈ10）等を用いる例を述べたが、反応性ガスは、イオンに反応して固体に変化するものであれば、他の物質でもよい。
【００３６】
本実施形態では、導入時の反応性ガスの温度の調整等により試料室２６の温度が一定になるように制御した。その方が望ましいが、環境制御部３８による試料室２６内の温度制御を行わなくてもよい。即ち、試料が熱くなり過ぎないように、単にステージ４０により半導体ウェハ５０を冷却するだけでも本発明は実施可能であり、その場合でも従来よりも面方向の濃度ムラを低減できる。なぜなら、イオン注入が行われる通常の温度範囲では、注入期間中に照射によって試料室２６内の温度が変化しても、反応性ガスが固体の反応生成物を生じさせる化学反応の速度は、注入期間を通してそれほど大きく変わらないと考えられるからである。
【００３７】
圧力を測定し、その圧力と、流入速度と、排気速度とを用いてから反応性ガスの濃度を算出したが、圧力を測定せずに、試料室２６内で反応性ガスの濃度を直接測定してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上詳述したように本発明は、イオン注入において大いに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本実施形態のイオン注入装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本実施形態のイオン注入工程の要部の前半を示す模式的工程断面図である。
【図３】本実施形態のイオン注入工程の要部の後半を示す模式的工程断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０  イオン注入装置
１４  イオン源
１８  質量分析部
２２  加速電極
２４  走査部
２６  試料室
２８  ガス導入部
３４  排気部
３８  環境制御部
４０  ステージ
４６  測定部
５０  半導体ウェハ                                                                           
【図１】
2006156441.tif 000003
【図２】
2006156441.tif 000004
【図３】
2006156441.tif 000005