(57)【要約】  【課題】  半導体デバイス製造のプロセス工程の圧縮により製造コストの低減を目指し、特に、イオン注入工程周辺の工程を削減することが可能な新たなレジストレスイオン注入方法およびそれを実現する装置を提供することにある。  【解決手段】  イオン源から放出したイオンを所望のイオン注入領域と略相似形の開口を有するマスクに通過させて成形イオンビームを形成し、該イオンビームをレジストが塗布されてないウエハの所望の領域に照射し、該ウエハにでイオン注入するレジストレスイオン注入方法。  【効果】  本発明によるレジストレスイオン注入方法を用いることで、半導体デバイス製造のプロセス工程が削減され、半導体デバイスの製造コストの低減が達成される。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン注入方法において、イオン源から放出したドーパントイオンを、所望のイオン注入領域と略相似形の開口を有するステンシルマスクを通過させ、該マスク上の開口を試料上に投影するイオン光学系によって形成した成形イオンビームを上記試料に照射することを特徴とするイオン注入方法。
【請求項２】
請求項１記載のイオン注入方法において、表面にホトレジストが塗布されてない試料に上記成形イオンビームを照射することを特徴とするイオン注入方法。
【請求項３】
イオン源からの放出したイオンを質量分離してドーパントイオンのみを選択し、所望のイオン注入領域と略相似形の開口を有するステンシルマスクに上記ドーパントイオンを通過させて成形イオンビーム化し、イオン光学系によって上記イオンビームを縮小し、ホトレジストが塗布されてない試料の所望の領域に上記成形イオンビームを照射することで、上記ステンシルマスクの開口の略相似形縮小領域に不純物を導入することを特徴とするイオン注入方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のイオン注入方法において、特に、イオン注入時、上記試料に照射される成形イオンビームが上記試料に対して相対的に静止状態であることを特徴とするイオン注入方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載のイオン注入方法において、特に、イオン注入時、上記試料に照射されるイオンビームが複数の互いに平行なイオンビーム列であることを特徴とするイオン注入方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載のイオン注入方法において、特に、上記イオン源から放出したイオンを質量分離し、所望のドーパントイオンのみを上記ステンシルマスクに通過させて成形イオンビームを形成することを特徴とするイオン注入方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載のイオン注入方法において、特に、上記ステンシルマスクに通過させて形成された成形イオンビームを試料上に縮小投影し、試料に上記ステンシルマスクの開口形状と略相似的に縮小した形状にイオン注入を行なうことを特徴とするイオン注入方法。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載のイオン注入方法において、特に、上記試料がシリコンであり、かつ、上記ウエハに照射されるイオンビームのイオン種がホウ素、リン、ヒ素のうちのいずれかであることを特徴とするイオン注入方法。
【請求項９】
請求項１から８の何れかに記載のイオン注入方法を用いた工程が、半導体デバイス製造プロセスにおけるイオン注入工程であって、上記試料へのイオン注入量が１×１０11以上、１×１０14個／ｃｍ2未満であることを特徴とするイオン注入方法。
【請求項１０】
請求項９記載のイオン注入方法が、特に、上記半導体デバイスのしきい電圧制御用のイオン注入であることを特徴とするイオン注入方法。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれかに記載のイオン注入方法を用いた工程が、半導体デバイス製造プロセスにおけるイオン注入工程であって、その前工程に少なくとも半導体基板上にイオン注入領域を限定するホトレジストパターンの形成工程を伴わないイオン注入方法。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかに記載のイオン注入方法において、上記ステンシルマスクが複数のイオン注入領域パターンを有し、所望のイオン注入条件に合わせて上記ステンシルマスクから所望のイオン注入領域パターンを選択し、ウエハへの照射イオンのエネルギもしくはイオン電流量を変化させることを特徴とするイオン注入方法。
【請求項１３】
請求項１から１１のいずれかに記載のイオン注入方法において、上記イオン源が複数のドーパントイオンを放出し、かつ、上記ステンシルマスクは複数のイオン注入領域パターンを有し、所望のイオン注入条件に合わせて上記イオン注入領域パターンを選択し、かつ、照射イオン種を選択させることを特徴とするイオン注入方法。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれかに記載のイオン注入方法を用いた工程が、半導体デバイス製造プロセスにおけるイオン注入工程であって、上記試料が半導体ウエハであり、該ウエハへのイオンビームの一回の照射領域が１個のデバイスチップ領域のｎ倍（ｎ：正の整数）または１／ｍ倍（ｍ：正の整数）であることを特徴とするイオン注入方法。
【請求項１５】
請求項１から７のいずれかに記載のイオン注入方法において、特に、上記試料がヒ化ガリウムであり、かつ、上記試料に照射されるイオンビームのイオン種がシリコン、ベリリウム、マグネシウム、セレン、酸素、イオウのうちのいずれかであることを特徴とするイオン注入方法。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれかに記載のイオン注入方法において、特に、上記試料へ照射されるイオンビームのエネルギが１ｋｅＶから２０ｋｅＶであることを特徴とするイオン注入方法。
【請求項１７】
ドーパントイオンを放出するイオン源と、イオンビームを集束させる少なくとも２組のアインツェルンレンズと、イオンビームを質量分離させる質量分離器と、所望のイオン注入領域と略相似形の開口を有するステンシルマスクと、ドーパントイオンのみを通過させる質量分離アパチャと、ホトレジストを被覆しない試料を保持するためのステージからなるイオン注入装置。
【請求項１８】
ドーパントイオンを放出するイオン源と、イオンビームを質量分離させる質量分離器と、所望のイオン注入領域と略相似形の開口を有するステンシルマスクと、上記質量分離器と上記ステンシルマスクの間にあってドーパントイオンビームのみを通過させる質量分離アパチャと、上記ドーパントイオンを上記ステンシルマスクに入射させるアインツェルンレンズと、上記ステンシルマスクを通過した成形イオンビームを集束させるアインツェルンレンズと、ホトレジストを被覆しない試料を保持するためのステージと、上記成形イオンビームを上記試料に入射させる集束レンズとからなるイオン注入装置。
【請求項１９】
ドーパントイオンを放出するイオン源と、上記イオン源からの放出イオンを質量分離させる質量分離器と、質量分離したイオンビームを集束させるアインツェルンレンズと、ドーパントイオンビームのみを通過させる質量分離アパチャと、所望のイオン注入領域と略相似形の開口を有するステンシルマスクと、上記ステンシルマスク面に入射させるアインツェルンレンズと、上記ステンシルマスクを通過した成形イオンビームを集束させるアインツェルンレンズと、ホトレジストを被覆しない試料を保持するためのステージと、上記成形イオンビームを上記試料に入射させるレンズとからなるイオン注入装置。
【請求項２０】
請求項１７から１９のいずれかに記載のイオン注入装置において、上記上記ステンシルマスクに入射させるアインツェルンレンズと、上記成形イオンビームを上記試料に入射させるアインツェルンレンズとは、上記ステンシルマスクの縮小像が上記試料に投影される位置関係、印加電圧関係あることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項２１】
請求項１７から１９のいずれかに記載のイオン注入装置において、上記イオン源がデュオプラズマトロン型イオン源または液体金属イオン源のいずれかであることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項２２】
請求項２１記載のイオン注入装置において、特に、上記イオン源においてイオン化すべき材料がボロン、ヒ素、リン、シリコン、ベリリウム、マグネシウムのうちの少なくともいずれかを含むガスまたは合金であることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項２３】
請求項１８記載のイオン注入装置において、上記質量分離アパチャは、上記ステンシルマスクを通過した成形イオンビームを集束させるアインツェルンレンズのクロスオーバ位置に設置されていることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項２４】
請求項１９記載のイオン注入装置において、特に、上記質量分離アパチャは、上記イオン源からの放出イオンを質量分離し、質量分離後のイオンを集束させるアインツェルンレンズのクロスオーバ点に位置することを特徴とするイオン注入装置。
【請求項２５】
請求項１７から１９のいずれかに記載のイオン注入装置おいて、特に、上記質量分離アパチャは開口の異なる複数個の孔を有する薄板であり、該孔の位置微調整機構および上記孔の選択機構を有することを特徴とするイオン注入装置。
【請求項２６】
請求項１７から１９のいずれかに記載のイオン注入装置おいて、上記ステージがイオン光学軸に沿って位置微動が可能であることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項２７】
請求項１７または１９のいずれかに記載のイオン注入装置において、上記質量分離器が、特に、扇形の磁石であることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項２８】
請求項１７または１９のいずれかに記載のイオン注入装置において、上記質量分離器が、特に、磁極と電極が直交するウィーンフィルタであることをを特徴とするイオン注入装置。
【請求項２９】
請求項１７から１９のいずれかに記載のイオン注入装置において、特に、放出イオンに対する初期エネルギに対する試料に照射されるイオンの加速エネルギの比が１．０乃至３．０であることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項３０】
請求項１７から１９のいずれかに記載のイオン注入装置において、更に、上記ステンシルマスクを通過した成形イオンビームを集束させるアインツェルンレンズのクロスオーバ位置の直下に真空遮断用のバルブを設置したことを特徴とするイオン注入装置。
【請求項３１】
請求項１７から１９のいずれかに記載のイオン注入装置において、更に、上記ステンシルマスクを通過した成形イオンビームを集束させるアインツェルンレンズのクロスオーバ位置の直下にイオンビーム遮断用のシャッタを設置したことを特徴とするイオン注入装置。
【請求項３２】
請求項１９記載のイオン注入装置において、更に、上記イオン源からの放出イオンを質量分離し、質量分離後のイオンを集束させるアインツェルンレンズのクロスオーバ点の直下にイオンビーム遮断用のシャッタを設置したことを特徴とするイオン注入装置。
【請求項３３】
請求項１７記載のイオン注入装置において、上記ステンシルマスクは、ステンシルマスク上のイオン照射を受けるパターンを複数種有し、真空容器内での交換機構を有し、真空外から照射パターンを選択するためのステンシルマスク制御装置を有することを特徴とするイオン注入装置。
【請求項３４】
請求項１７から１９のいずれかに記載のイオン注入装置において、特に、上記ステンシルマスクは、ステンシルマスク上のイオン照射を受けるパターンを複数種有し、真空容器内での交換機構を有し、イオン源とステンシルマスク上のパターンの選択および、照射イオン電流、エネルギの少なくともいずれかを調整するための制御装置を有することを特徴とするイオン注入装置。
【請求項３５】
請求項１７記載のイオン注入装置において、上記イオン源が異種のドーパントイオンを放出する複数個のイオン源であることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項３６】
請求項３２記載のイオン注入装置において、更に、上記ステンシルマスクは、ステンシルマスク上のイオン照射を受けるパターンを複数種有し、真空容器内での交換機構を有し、イオン源とステンシルマスク上のパターンの選択および、質量分離器の強度を調整するための制御装置を有することを特徴とするイオン注入装置。
【請求項３７】
請求項１７から３６のいずれかに記載のイオン注入装置において、特に、試料がシリコンで、上記試料に到達する成形イオンビームがホウ素、リン、ヒ素のうちのいずれかであり、かつ、試料への到達イオン電流が０．１μＡ以上で、一度に照射する領域が１ｃｍ2以上のビームを形成することを特徴とするイオン注入装置。
【請求項３８】
半導体製造プロセスにおける工程を行なう複数個のチャンバおよび、これらと相互間のウエハの出し入れを行なうウエハハンドラ、上記複数個のチャンバに連結され上記ウエハハンドラを収納するウエハハンドラハウジングから構成されるマルチチャンバプロセス装置において、上記チャンバのうち少なくとも１個が請求項１７から２４のいずれかに記載のイオン注入装置であることを特徴とするマルチチャンバプロセス装置。
【請求項３９】
請求項１から１６のうちのいずれかに記載のイオン注入方法もしくは、請求項１７から３７のいずれかに記載のイオン注入装置、請求項３８のマルチチャンバプロセス装置のいずれかを用いて製造された半導体デバイスおよびそれを用いたシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体プロセスにおけるイオン注入方法に関し、特に、レジスト工程を必要としないイオン注入方法とそれを実現する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
まず、従来のイオン注入工程について説明する。
【０００３】
半導体デバイスの製造プロセスにおいて、半導体基板の所望領域への不純物導入法としてイオン注入法が用いられる。イオン注入は、図２に示すようなイオン注入装置２０にて行なわれる。その概略構造はドーパントイオンを発生するイオン源２１、放出イオン２２を質量分離し、ドーパントイオン２６と不要なイオンビーム２７、２７’に選別する質量分離器２３、ドーパントイオン２６を通過させるアパチャ２４、イオンビーム２６を平行ビーム化させるレンズ２８、ドーパントイオンビーム２６を試料上で走査させる偏向器２９、試料であるウエハ３０を保持するステージ３１などからなる。イオン源２１にはドーパントを含むガスをプラズマにしてイオンを引出すフリーマン型イオン源やマイクロ波イオン源などが用いられる。
【０００４】
イオン注入装置の従来例は、文献『イオン・インプランテイション・テクニックス』（スプリンガー・シリーズ・イン・エレクトロフィジックス１０、ライセル、グラウイッシュニグ編、１９８２年）の第３頁から２１頁にかけてハンス・グラウイッシュニグが記載している『イオン・インプランテイション・システム・コンセプツ』と題する論文で知ることができる。（公知例１）
("Ion Implantation System Concepts"(Hans Glawischnig)("Ion Implantation Techniques, (Springer Series in Electrophysics 10)" eds.H.Ryssel and H.Glawischnig,(1982)p.3-p.21.)
このような従来のイオン注入装置で所望の領域にイオン注入を行なう場合、通常、イオン注入前後に数工程の作業を行なう。つまり、例えばシリコンウエハ上へのフォトレジスト（以下レジストと略記する）の塗布、レジスト塗布されたウエハへのイオン注入領域パターンの露光、さらに、現像を行ないウエハ上にイオン注入すべき所望の形状にするためにレジストを除去する。その後、イオン照射を行ないレジストの除去された領域のウエハ内にドーパントイオンを注入する。
次に、ウエハ上のレジストをアッシング除去し、ウエハを洗浄してイオン注入工程が完了する。
【０００５】
このように、ウエハ上の所望の領域にイオン注入するためにはイオン注入工程の他に数工程を要する。しかも、このイオン注入工程がデバイス完成までの全工程中に複数回あれば、その都度このような付随する工程を行なわなければならない。これは、従来のイオン注入に用いられるイオンビームが直径数ｃｍ以上の一様ビームであるため、所望の箇所に選択的にイオン注入するにはレジストマスクが必要で、それに伴いレジストへのパターン形成やイオン注入後のレジスト除去などの工程が必要となり、上記の如き付随的な工程を経ている。
【０００６】
【非特許文献１】『イオン・インプランテイション・テクニックス』（スプリンガー・シリーズ・イン・エレクトロフィジックス１０、ライセル、グラウイッシュニグ編、１９８２年）の第３頁から２１頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
半導体デバイスの高性能化に伴い、デバイス上の加工寸法は縮小化、複雑化し、それを実現するためのプロセスも複雑化し、その工程数は増大している。半導体デバイスのメーカにとっては、デバイスをいかに原価低減するかがが直接収益に影響するため、複雑しているプロセスを簡略し、製造コストを削減することが最大課題である。
【０００８】
本発明は半導体デバイス製造のプロセス工程の圧縮によって製造コストの低減を目指し、特に、本発明の第１の目的は、イオン注入前後の工程が削減できる新たなイオン注入方法を提供することであり、第２の目的として第１目的を実現する装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記、第１の目的を達成するためには、
（１）不純物導入により試料の電気的性質を変化させるイオン注入方法において、イオン源から放出したドーパントイオンを、所望のイオン注入領域と略相似形の開口を有するステンシルマスクを通過させ、該マスク上の開口を試料上に投影するイオン光学系によって形成した成形イオンビームを上記試料に照射することを特徴とするイオン注入方法、
（２）上記１記載のイオン注入方法において、表面にホトレジストが塗布されてない試料に上記成形イオンビームを照射することを特徴とするイオン注入方法、（３）イオン源からの放出したイオンを質量分離してドーパントイオンのみを選択し、所望のイオン注入領域と略相似形の開口を有するステンシルマスクに上記ドーパントイオンを通過させて成形イオンビーム化し、イオン光学系によって上記イオンビームを縮小し、ホトレジストが塗布されてない試料の所望の領域に上記成形イオンビームを照射することで、上記ステンシルマスクの開口の略相似形縮小領域に不純物を導入することを特徴とするイオン注入方法、
（４）上記１から３のいずれかに記載のイオン注入方法において、特に、イオン注入時、上記試料に照射される成形イオンビームが上記試料に対して相対的に静止状態であることを特徴とするイオン注入方法、
（５）上記１から４のいずれかに記載のイオン注入方法において、特に、イオン注入時、上記試料に照射されるイオンビームが複数の互いに平行なイオンビーム列であることを特徴とするイオン注入方法、
（６）上記１から５のいずれかに記載のイオン注入方法において、特に、上記イオン源から放出したイオンを質量分離し、所望のドーパントイオンのみを上記ステンシルマスクに通過させて成形イオンビームを形成することを特徴とするイオン注入方法、
（７）上記１から６のいずれかに記載のイオン注入方法において、特に、上記ステンシルマスクに通過させて形成された成形イオンビームを試料上に縮小投影し、試料に上記ステンシルマスクの開口形状と略相似的に縮小した形状にイオン注入を行なうことを特徴とするイオン注入方法、
（８）上記１から７のいずれかに記載のイオン注入方法において、特に、上記試料がシリコンであり、かつ、上記ウエハに照射されるイオンビームのイオン種がホウ素、リン、ヒ素のうちのいずれかであることを特徴とするイオン注入方法、（９）上記１から８のいずれかに記載のイオン注入方法を用いた工程が、半導体デバイス製造プロセスにおけるイオン注入工程であって、上記試料へのイオン注入量が１×１０11以上、１×１０14個／ｃｍ2未満であることを特徴とするイオン注入方法、
（１０）上記９記載のイオン注入方法が、特に、上記半導体デバイスのしきい電圧制御用のイオン注入であることを特徴とするイオン注入方法、
（１１）上記１から１０のいずれかに記載のイオン注入方法を用いた工程が、半導体デバイス製造プロセスにおけるイオン注入工程であって、その前工程に少なくとも半導体基板上にイオン注入領域を限定するホトレジストパターンの形成工程を伴わないイオン注入方法、
（１２）上記１から１１のいずれかに記載のイオン注入方法において、上記ステンシルマスクが複数のイオン注入領域パターンを有し、所望のイオン注入条件に合わせて上記ステンシルマスクから所望のイオン注入領域パターンを選択し、ウエハへの照射イオンのエネルギもしくはイオン電流量を変化させることを特徴とするイオン注入方法、
（１３）上記１から１１のいずれかに記載のイオン注入方法において、上記イオン源が複数のドーパントイオンを放出し、かつ、上記ステンシルマスクは複数のイオン注入領域パターンを有し、所望のイオン注入条件に合わせて上記イオン注入領域パターンと、照射イオン種を選択することを特徴とするイオン注入方法、（１４）上記１から１３のいずれかに記載のイオン注入方法を用いた工程が、半導体デバイス製造プロセスにおけるイオン注入工程であって、上記試料が半導体ウエハであり、該ウエハへのイオンビームの一回の照射領域が１個のデバイスチップ領域のｎ倍（ｎ：正の整数）または１／ｍ倍（ｍ：正の整数）であることを特徴とするイオン注入方法、
（１５）上記１から７のいずれかに記載のイオン注入方法において、特に、上記試料がヒ化ガリウムであり、かつ、上記試料に照射されるイオンビームのイオン種がシリコン、ベリリウム、マグネシウム、セレン、酸素、イオウのうちのいずれかであることを特徴とするイオン注入方法、または、
（１６）上記１から１５のいずれかに記載のイオン注入方法において、特に、上記試料へ照射されるイオンビームのエネルギが１ｋｅＶから２０ｋｅＶであることを特徴とするイオン注入方法によって達成される。
【００１０】
また、第２の目的は、
（１７）ドーパントイオンを放出するイオン源と、イオンビームを集束させる少なくとも２組のアインツェルンレンズと、イオンビームを質量分離させる質量分離器と、ドーパントイオンのみを通過させる質量分離アパチャと、所望のイオン注入領域と略相似形の開口を有するステンシルマスクと、ホトレジストを被覆しない試料を保持するためのステージからなるイオン注入装置、
（１８）ドーパントイオンを放出するイオン源と、イオンビームを質量分離させる質量分離器と、所望のイオン注入領域と略相似形の開口を有するステンシルマスクと、上記イオン源からの放出イオンを上記ステンシルマスクに入射させるアインツェルンレンズと、上記ステンシルマスクを通過した成形イオンビームを集束させるアインツェルンレンズと、ドーパントイオンビームのみを通過させる質量分離アパチャと、ホトレジストを被覆しない試料を保持するためのステージと、上記成形イオンビームを上記試料に入射させる集束レンズとからなるイオン注入装置、
（１９）ドーパントイオンを放出するイオン源と、上記イオン源からの放出イオンを質量分離させる質量分離器と、質量分離したイオンビームを集束させるアインツェルンレンズと、上記質量分離器と上記ステンシルマスクの間にあり、ドーパントイオンビームのみを通過させる質量分離アパチャと、所望のイオン注入領域と略相似形の開口を有するステンシルマスクと、上記ドーパントイオンをステンシルマスクに入射させるアインツェルンレンズと、上記ステンシルマスクを通過した成形イオンビームを集束させるアインツェルンレンズと、ホトレジストを被覆しない試料を保持するためのステージと、上記成形イオンビームを上記試料に垂直入射させるアインツェルンレンズとからなるイオン注入装置、
（２０）上記１７から１９のいずれかに記載のイオン注入装置において、上記上記ステンシルマスクに入射させるアインツェルンレンズと、上記成形イオンビームを上記試料に入射させるアインツェルンレンズとは、上記ステンシルマスクの像が上記試料に投影される位置関係、印加電圧関係あることを特徴とするイオン注入装置、
（２１）上記１７から１９のいずれかに記載のイオン注入装置において、上記イオン源がデュオプラズマトロン型イオン源または液体金属イオン源のいずれかであることを特徴とするイオン注入装置、
（２２）上記２１記載のイオン注入装置において、特に、上記イオン源においてイオン化すべき材料がボロン、ヒ素、リン、シリコン、ベリリウム、マグネシウムのうちの少なくともいずれかを含むガスまたは合金であることを特徴とするイオン注入装置、
（２３）上記１７のイオン注入装置において、上記質量分離アパチャは、上記ステンシルマスクを通過した成形イオンビームを集束させるアインツェルンレンズのクロスオーバ位置に設置されていることを特徴とするイオン注入装置、
（２４）上記１９のイオン注入装置において、特に、上記質量分離アパチャは、上記イオン源からの放出イオンを質量分離し、質量分離後のイオンを集束させるアインツェルンレンズのクロスオーバ点に位置することを特徴とするイオン注入装置、
（２５）上記１７から１９のいずれかのイオン注入装置おいて、特に、上記質量分離アパチャは開口の異なる複数個の孔を有する薄板であり、該孔の位置微調整機構および上記孔の選択機構を有することを特徴とするイオン注入装置、
（２６）上記１７から１９のいずれかのイオン注入装置おいて、上記ステージがイオン光学軸に沿って位置微動が可能であることを特徴とするイオン注入装置、（２７）上記１７から１９のいずれかのイオン注入装置において、上記質量分離器が、特に、扇形の磁石であることを特徴とするイオン注入装置、
（２８）上記１７から１９のいずれかのイオン注入装置において、上記質量分離器が、特に、磁極と電極が直交するウィーンフィルタであることをを特徴とするイオン注入装置、
（２９）上記１７から１９のいずれかのイオン注入装置において、特に、放出イオンに対する初期エネルギに対する試料に照射されるイオンの加速エネルギの比が１．０乃至３．０であることを特徴とするイオン注入装置、
（３０）上記１７から１９のいずれかのイオン注入装置において、更に、上記ステンシルマスクを通過した成形イオンビームを集束させるアインツェルンレンズのクロスオーバ位置の直下に真空遮断用のバルブを設置したことを特徴とするイオン注入装置、
（３１）上記１７から１９のいずれかのイオン注入装置において、更に、上記ステンシルマスクを通過した成形イオンビームを集束させるアインツェルンレンズのクロスオーバ位置の直下にイオンビーム遮断用のシャッタを設置したことを特徴とするイオン注入装置、
（３２）上記１９のイオン注入装置において、更に、上記イオン源からの放出イオンを質量分離し、質量分離後のイオンを集束させるアインツェルンレンズのクロスオーバ点の直下にイオンビーム遮断用のシャッタを設置したことを特徴とするイオン注入装置、
（３３）上記１７のイオン注入装置において、上記ステンシルマスクは、ステンシルマスク上のイオン照射を受けるパターンを複数種有し、真空容器内での交換機構を有し、真空外から照射パターンを選択するためのステンシルマスク制御装置を有することを特徴とするイオン注入装置、
（３４）上記１７から１９のいずれかのイオン注入装置において、特に、上記ステンシルマスクは、ステンシルマスク上のイオン照射を受けるパターンを複数種有し、真空容器内での交換機構を有し、イオン源とステンシルマスク上のパターンの選択および、照射イオン電流、エネルギの少なくともいずれかを調整するための制御装置を有することを特徴とするイオン注入装置、
（３５）上記１７のイオン注入装置において、上記イオン源が異種のドーパントイオンを放出する複数個のイオン源であることを特徴とするイオン注入装置、（３６）上記３２のイオン注入装置において、更に、上記ステンシルマスクは、ステンシルマスク上のイオン照射を受けるパターンを複数種有し、真空容器内での交換機構を有し、イオン源とステンシルマスク上のパターンの選択および、質量分離器の強度を調整するための制御装置を有することを特徴とするイオン注入装置、
（３７）上記１７から３６のいずれかのイオン注入装置において、特に、試料がシリコンで、上記試料に到達する成形イオンビームがホウ素、リン、ヒ素のうちのいずれかであり、かつ、試料への到達イオン電流が０．１μＡ以上で、一度に照射する領域が１ｃｍ2以上のビームを形成することを特徴とするイオン注入装置、
（３８）半導体製造プロセスにおける工程を行なう複数個のチャンバおよび、これらと相互間のウエハの出し入れを行なうウエハハンドラ、上記複数個のチャンバに連結され上記ウエハハンドラを収納するウエハハンドラハウジングから構成されるマルチチャンバプロセス装置において、上記チャンバのうち少なくとも１個が上記１７から２４のいずれかに記載のイオン注入装置であることを特徴とするマルチチャンバプロセス装置によって達成される。また、
（３９）上記１から１５のうちのいずれかに記載のイオン注入方法、上記１６から２９のいずれかに記載のイオン注入装置、さらに、上記３８のマルチチャンバプロセス装置のいずれかを用いて、半導体デバイスおよびそれを用いたシステムを製造することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によるレジストレスイオン注入方法およびその装置によって、以下の効果をもたらす。
【００１２】
（１）レジスト塗布、露光、現像、従来のイオン注入、アッシング工程が削減される。それに伴って、これら装置に係る担当者の人件費、装置の運転費用、メンテナンス費が削減され、更に、これら装置と本発明によるレジストレスイオン注入装置の置換により、半導体製造装置の占有床面積が削減される。これらを総合的に評価して、本発明によるレジストレスイオン注入方法を用いることで、デバイスの製造コストを削減できた。
【００１３】
（２）本発明によるイオン注入方法は、レジストが不要であり、レジスト塗布というウエット工程がなくなり、イオン注入前後の工程がドライ化できる。これにより、多数の製造装置を連結したマルチチャンバプロセス装置に取り付けることができる。
【００１４】
（３）レジスト塗布、露光、現像、従来のイオン注入、アッシングなどが削減されるため、ウエハが各装置の通過によって影響を受ける周囲の雰囲気に対し、影響されずプロセスは安定している。これによって、均質なデバイスが作成できる。
【００１５】
（４）上記（１）に記載の如くイオン注入前後の工程が削減されるため、各工程間のウエハの搬送作業が削減される。これに伴い搬送時に生じる異物の付着などの危険性が低減され、デバイス製造の歩留が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１においてイオン源２はドーパントイオンを放出する。例えば、イオン注入する試料がＳｉの場合、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）であり、これらのうち少なくとも１元素を放出する。イオン源の形式は、イオン源の下流側のイオン光学系に依存するが、ウエハ上にマスクの開口をシャープに投影するには点状光源が必要で、液体金属イオン源や微小光源をもつデュオプラズマトロン型イオン源を用いることができる。
【００１７】
質量分離器３は、イオン源から放出されるイオンのうち、イオン注入に用いるイオンとそれ以外のイオンに分離するためのものである。ウィーンフィルタと称する電極と磁極が直交して設置された質量分離器を用いることで、所望のイオンビームを光学軸上に通過させることができる。
【００１８】
マスク９は、所望のイオン注入領域と略相似形の開口を有するステンシルマスクである。ステンシルマスクはＳｉ基板からなり、その作成方法は、例えば、ナカヤマらが論文集ジャーナル・オブ・ヴァキューム・サイエンス・アンド・テクノロジーの第Ｂ６巻（１９９０年）第１８３６から１８４０頁にかけて『エレクトロンビーム・セルプロジェクション・リソグラフィ：ア・ニュー・ハイスループット・エレクトロン・ビーム・ダイレクトライティング・テクノロジー・ユージング・ア・スペシャリー・テイラード・シリコン・アパチャ』と題する論文に記載している。（公知例２）
（Y.Nakayama et al. "Electron-beam cell projection lithography: A new high-throughput electron-beam direct-writing technology using a specially tailored Si aperture", J. Vac. Sci. Technol. B6 (1990) 1836-1840)
ここに示されるステンシルマスクは電子ビームリソグラフィに用いられるが、本イオン注入方法にも応用できる。ステンシルマスクに設ける開口はイオン注入領域寸法と縮小率で決まる。この時、最小の開口寸法は、所望のイオン注入領域の最小寸法とドライエッチングによって作成できる最大アスペクト比できまる。例えば、２μｍ平方の矩形領域を縮小率１／５の光学系で作成するためには、ステンシルマスク上に１０μｍ平方の矩形開口を設ければ良い。ドライエッチングで垂直性のよい開口を開けられるアスペクト比を５とすると、ステンシルマスクの厚みは５０μｍにすることができる。また、厚みが数１０μｍと十分厚いため、イオン照射による薄化にも十分耐えうることができる。
【００１９】
集束レンズ８は、広がりのあるイオンビームを集束させるための静電電極群で、電極構成や印加電圧はビーム集束具合によって種々変化を持たせることができる。集束レンズ１２、１９、投影レンズ１４もアインツエルン型レンズである。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明に係るイオン注入方法およびその装置の詳細を図面に示す実施例に基づいて説明する。
【００２１】
（実施例１）
まず、図１によりイオン注入装置の概略構成を説明する。図１において、１は本発明によるイオン注入装置、２はイオン源であり、本実施例ではイオン源２はＳｉに対するドーパントであるホウ素イオンを放出する液体金属イオン源を用いた。このイオン源２におけるイオン化すべき材料はニッケル／ホウ素／ケイ素の３元系の合金である。３は質量分離器であり、放出したイオン４を所望のドーパントイオン５（本実施例ではホウ素１価イオン）と不要イオン６に選別するものである。７はドーパントイオンのみを通過させ、不要イオン６を下流へ送らないための質量分離アパチャである。この質量分離アパチャ７がマスク９の上流側に設置されているため、不要イオン６がマスクを照射することがなく、マスク９の摩耗が軽減され耐久性が延びる効果がある。
【００２２】
８は質量分離アパチャ７を通過して広がりを持つイオンをマスク９にほぼ垂直入射するように軌道を曲げる集束レンズである。図では略式に楕円で示したが、実際は３枚以上の電極から構成されたアインツェルンレンズである。導電性のマスクホルダ１０に保持されたマスク９は所望のイオン注入領域と略相似形の開口を有するステンシルマスクで、本実施例ではシリコンウエハに従来のドライプロセスによって開口を設けた。マスク９を通過して得られるドーパントイオンによる成形イオンビーム１１は集束レンズ１２によって集束され、アパチャ１３を通過して、投影レンズ１４によって成形イオンビーム１１を試料１５にほぼ垂直に入射する。試料１５はステージ１６上に保持されたシリコンウエハであり、表面には従来のイオン注入で用いるレジストは塗布されていない。ステージ１６はレーザ干渉計を用いて精密に微動でき、あるイオン注入領域から次の領域にステップ的に正確に移動できる。１７は真空容器である。
【００２３】
本実施例では、試料上のイオン注入領域の最外枠は約１０ｍｍ角で、この時の到達イオン電流は０．１μＡであった。図１では集束レンズ１２、投影レンズ１４により、マスク９上の開口を縮小して試料に照射している図を示している。このような構成により、マスク９上に所望のイオン注入領域の形状の拡大または等倍の開口を設けておくことで、その形状の縮小または等倍の形状で、試料１５にイオン注入することができる。
【００２４】
このような構成のイオン注入装置１は下記の特徴を持つ。図３(a)に示したように従来型イオン注入法では、レジスト４１が密着して塗布されたウエハ４２にドーパントの大口径イオンビーム４０を照射し、リソグラフィ技術を駆使して形成されたレジスト４１の開口４３，４３’を利用してイオン注入を行なう。４４はイオン注入された領域である。イオンビーム４０の両横の矢印はイオビームが偏向させながらイオン注入されていることをしめしている。一方、本発明によるイオン注入法では、図３（ｂ）に示したように、ウエハ４１にイオン照射されるときには、イオンビームはイオン注入領域形状に成形されているため、従来法によるレジストは用いる必要はなく、直接イオン注入することができる。この成形イオンビームを得るためには、マスクに所望のイオン注入領域と略相似形の開口を設け、マスクに開ける開口とウエハ上のイオン注入領域の大きさの比率はマスクとウエハ間に設置するイオン光学系の配置、印加電圧に依存し、所望のイオン倍率に合わせてイオン光学系を設定すれば良い。
【００２５】
１領域分のイオン注入が完了すると、イオンビームをブランキング状態（ブランキング電極は図示せず）にするか、ウエハとイオン源の間のいずれかの箇所に設けたシャッタ（図１における１８、１８’）によって遮ることができる。この状態でステージ１６を次のイオン注入すべき箇所に移動させる。ステージが所定の位置に移動完了した後、ブランキング状態を解除するか、シャッタを解放し、成形イオンビーム１１を試料に到達させ、次の領域でイオン注入することができる。この操作を繰り返すことで、試料全体にイオン注入を施すことができる。
【００２６】
図１が従来のイオン注入装置（図２）と全く異なる点は、イオン照射すべきイオンビームがマスクによって成形されているか否かに有る。図１では試料を照射するイオンビームはイオン注入領域の形状をなす成形ビームであり、従来のレジストは不要である。従って、レジストに係る工程、つまり、塗布、露光、現像、アッシングの各工程が削減できる。また、装置面ではイオン光学系が全く異なり、ステンシルマスクを保持するマスクホルダが新たに設置される。反面、図２の１９に示すビーム偏向器が不要になる点で本発明のイオン注入装置は従来装置と異なる。
【００２７】
また、関連する従来装置としてイオンプロジェクションリソグラフィ装置もある。例えば、論文集『マイクロエレクトロニック・エンジニアリング』第１７巻、（１９９２年）第２２９頁から第２４０頁に記載のエイ・チャルプカらの『プログレス・イン・イオン・プロジェクション・リソグラフィ』と題する論文に記載されている。（公知例３）（A.Chalupka et al. "Progress in Ion Projection Lithography",Microelectronic Engineering 17 (1992) 229-240.)これは、ヘリウムや水素など軽元素のガス種をイオン化し、パターン化したビームをレジストが塗布されたウエハに照射し、レジストを露光しようとするものである。イオン露光は電子による露光に比べ、レジスト内での散乱が小さいため、近接効果が少なく、ほぼ照射領域が転写できるという利点を有している。
【００２８】
しかし、このイオンプロジェクションリソグラフィ装置は、本発明によるイオン注入装置と以下の点で異なる。
【００２９】
（１）イオン種が軽元素ガス種である水素、ヘリウムである。
【００３０】
（２）イオンビーム照射は表面にレジストを有する試料に対して行なわれ、レジストへのイオン露光を行なう装置である。
【００３１】
（３）放出イオンの実質的質量分離を行なうアパチャがステンシルマスクの下流側にあるため、放出イオンの殆ど全てがステンシルマスクを照射する構造である。
【００３２】
（実施例２）
本発明によるイオン注入方法の実施例として、半導体プロセスにおけるイオン注入工程を説明する。
【００３３】
４メガビット・ダイナミック・アクセス・メモリの製造に、本発明によるイオン注入方法を適用した。イオン注入工程において特に、メモリセル内および周辺回路のしきい電圧制御、周辺回路のウエル形成の各工程に適用した。ステンシルマスクには各工程用のパターンを作成し、各工程毎にマスクパターンを交換する。
但し、全パターンがマスク上に設置されているため、マスクパターン交換には瞬時に行なえる。この時、マスクパターンの交換、イオン注入量の設定、イオン注入開始、終了などはすべてコンピュータ制御によって行なう。
【００３４】
例えば、メモリセルの周辺回路のしきい電圧制御のためのイオン注入工程では、レジストが塗布されていないウエハ上に２×２（μｍ）から３０×３０（μｍ）程度の矩形が点在する領域に、入射エネルギ１０ｋｅＶでホウ素（Ｂ）イオンを５×１０12（個／ｃｍ2）注入した。イオン注入工程には、従来、それに先立ち行われていたレジスト塗布、露光、現像、イオン注入後にはレジストの除去など一連のリソグラフィ工程を、本方法では上記リソグラフィを行なわずイオン注入工程だけで済むため、総イオン注入工程について合算すると時間的、経済的節約ができた。
【００３５】
（実施例３）
本実施例３は、図４に示したように、実施例１に比べレンズを１組減らし、３組のアインツェルンレンズ１０４、１０６、１１３によって構成した例である。
マスク、ステージなどは実施例１と同じである。
【００３６】
図４においてイオン源１００はＳｉに対するドーパントであるリンイオンを放出する液体金属イオン源である。このイオン源から放出されるリン１価イオンの放射角電流密度（単位立体角当たりの電流密度）は、全放出イオン電流１μＡ時、５μＡ／ｓｒであり、放出イオンの拡がりは１０°（半開角）である。レンズ１１３によって平行にされたイオンビームはマスク１０３へ垂直入射する。この時の照射領域は、放出イオン電流の角度分布を考慮してビーム制限アパチャ１０１によって開き角の半分の５°の領域に制限してマスクパターンを通過させた。
マスクへの照射レンズ１０４とレンズ１０６によるマスクパターン１０３（１辺１６ｍｍの矩形）の縮小率は１／２である。レンズ１０４とレンズ１０６はいずれもアインツェルンレンズである。この時、レジストの塗布されていないウエハ１０７上には、伝流密度０．１μＡ／ｃｍ2で、１辺８ｍｍの矩形パターンビームが到達する。イオン注入量（ドーズ）を１×１０12（個／ｃｍ2）に設定すると、イオン注入時間は約１．６秒で終わる。照射されるイオンの持つエネルギーは１０ｋｅＶで、浅い領域へのイオン注入である。直径８インチのウエハ１０７上にこのパターンイオンビーム１０８でイオン注入を続けると、１枚のウエハは約４６０ショットで完了し、１時間に約１７枚の生産速度（スループット）を発揮した。このスループットは従来プロセスにおいて、レジスト塗布、ステッパによる露光、現像、従来式イオン注入、アッシングによるレジスト除去、水洗までの一連工程に対して約４枚／時であるので、約４倍のスループット向上が達成された。
【００３７】
本装置において、質量分離器１０２をイオン源１０１の直後に設置し、レンズ１０６のクロスオーバ地点に質量分離絞り１０５を設置し、イオン源から放出される不要イオン１０９を除去した。この質量分離絞り１０５位置には、更に、ゲートバルブを１１０を設置し、試料室１１１とレンズ１０４やマスク１０３の設置されたイオン光学系室１１２との真空が分離できるようにした。これにより、試料の交換時に生じる真空の悪化を軽減できる効果を有する。
【００３８】
（実施例４）
本実施例は、図５に示すようなマルチチャンバプロセス装置の一つのチャンバに実施例１で示したイオン注入装置を結合した例である。このマルチチャンバプロセス装置は、プロセスチャンバ１５０、１５１、１５２とロードロックチャンバ１５３Ａ、１５３Ｂが、ウエハハンドラ１５４を備えてウエハ５５を夫々のチャンバに搬送する搬送チャンバ１５６にゲートバルブ１５７Ａ、１５７Ｂ、１５７Ｃ、１５７Ｄ、１５７Ｅを介して結合された装置で、基本的にはウエハを大気に触れさせずに連続した複数のプロセスが処理できる。
【００３９】
図５におけるチャンバ１５０は本発明によるイオン注入装置であり、チャンバ１５１は二次イオン質量分析装置、チャンバ１５２は走査型電子顕微鏡である。
勿論、これらチャンバはこれら装置に限ることはない。ロードロックチャンバ１５３Ａに投入したウエハ１５８は、ゲートバルブ１５７Ｅ開放後、ウエハハンドラ１５４によって搬送チャンバ１５６に導入される。ゲートバルブ１５７Ｅ閉鎖後、ゲートバルブ１５７Ａを開放し、ウエハ１５８を本発明によるイオン注入装置１５９のステージに設置される。その後、ゲートバルブ１５７Ａを閉鎖し、所定の真空度まで真空引きするが、各チャンバとも超高真空状態であるため、イオン注入装置におけるステージの排気は短時間で超高真空状態になる。この状態で、成形イオンビームによるイオン注入を開始する。所定のイオン注入条件でウエハ全体に渡ってイオン注入するとこの工程は完了である。ウエハ１５８をチャンバ１５０からチャンバ１５１に移動させる。この間のゲートバルブの開閉は上記と同様である。チャンバ１５１の二次イオン質量分析装置１６０によって、ウエハ１５８上のテストデバイスを分析し、所定のイオン注入条件を満足しているかを確認できる。更に、ウエハ１５８をチャンバ１５２に移し、ウエハ表面を観察し、異常の無いことが確認できる。このような工程により、イオン注入を確実に、短時間に、更に、大気に曝すことなく実行できる。
【００４０】
このように、本発明によるイオン注入装置はレジストを必要としないため、レジスト塗布、洗浄というウエットな工程がなくなり完全ドライ化され、他のドライプロセス用半導体製造装置、分析装置と連結させることができる。これにより、半導体デバイスの製造が効率的となるとともに、歩留りが向上した。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明によるイオン注入装置の一実施例を説明するための概略構成図である。
【図２】従来用いられているイオン注入装置の概略構成図である。
【図３】（ａ）従来型イオン注入装置によって所望の領域にイオン注入している状況と、（ｂ）本発明によるレジストレスイオン注入装置によるイオン注入を行なっている状況の比較を明確に示すための図である。
【図４】本発明によるイオン注入装置の別の実施例を説明するための概略構成図である。
【図５】本発明によるイオン注入装置の別の実施例で、特にマルチチャンバプロセス装置に適用した例を説明するための概略構成図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…イオン注入装置、２…イオン源、３…質量分離器、４…放出イオン、５…ドーパントイオン、６…不要イオン、７…アパチャ、８、１９…集束レンズ、９…マスク、１０…マスクホルダ、１１…成形イオンビーム、１２…集束レンズ、１３…アパチャ、１４…投影レンズ、１５…試料、１６…ステージ、１７…真空容器、１８、１８’…シャッタ、２０…イオン注入装置、２１…イオン源、２２…放出イオン、２３…質量分離器、２４…絞り、２６…ドーパントイオンビーム、２７、２７’…不要イオン、２８…レンズ、２９…偏向器、３０…試料、３１…ステージ、４０…イオンビーム、４１…レジスト、４２…ウエハ、４３…イオン注入すべき領域（開口）、４４…イオン注入領域、４５、４５’…イオン注入領域、４６、４６’…成形イオンビーム、１００…イオン源、１０１…ビーム制限アパチャ、１０２…質量分離器、１０３…集束レンズ、１０４…集束レンズ、１０５…質量分離絞り、１０６…集束レンズ、１０７…試料（ウエハ）、１０８…成形パターンイオンビーム、１０９…不要イオン、１１０…ゲートバルブ、１１１…試料室、１１２…イオン光学系室、１５０、１５１、１５２…チャンバ、１５３Ａ、１５３Ｂ…ロードロックチャンバ、１５４…ウエハハンドラ、１５５、１５８、１５８’…ウエハ、１５６…搬送チャンバ、１５７Ａ、１５７Ｂ、１５７Ｃ、１５７Ｄ、１５７Ｅ…ゲートバルブ、１５９…イオン注入装置、１６０…二次イオン質量分析装置。
【図１】
2006108697.tif 000003
【図２】
2006108697.tif 000004
【図３】
2006108697.tif 000005
【図４】
2006108697.tif 000006
【図５】
2006108697.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成17年11月15日(2005.11.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームを放出するイオン源と、前記放出されたイオンビームの所望のイオン種を選択する質量分離手段と、前記選択されたイオンビームを所望のビーム形状に成形する開口部を有するマスクと、前記成形されたイオンビームを集束する集束レンズとを少なくとも有するイオン光学系室と、
試料を載置するステージと、
当該ステージを少なくとも内部に有する試料室とを備え、
前記質量分離手段は前記マスクよりも前記イオン源側に配置され、
前記イオン光学系室と前記試料室を仕切るバルブを備えることを特徴とするイオンビーム装置。
【請求項２】
イオンビームを放出するイオン源と、
前記イオンビームの所望とするイオン種を選択する質量分離器と、
当該選択されたイオンビームを所望のビーム形状に成形する開口部を有するマスクと、
前記成形されたイオンビームを通過させる質量分離絞りと、
前記成形されたイオンビーム集束する集束レンズとを少なくとも有するイオン光学系室と、
前記試料を載置するステージと前記成形されたイオンビームを前記試料に投影する投影レンズとを真空状態である内部に有する試料室とを備え、
前記質量分離器は前記マスクよりも前記イオン源側に配置され、
前記試料室と前記イオン光学系室との真空を分離するゲートバルブを備えることを特徴とするイオンビーム装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のイオンビーム装置において、
前記マスクはステンシルマスクであることを特徴とするイオンビーム装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のイオンビーム装置において、
前記マスクには前記イオンビームを成形するマスクパターンが複数設置されていることを特徴とするイオンビーム装置。
【請求項５】
請求項４に記載のイオンビーム装置において、
前記複数のマスクパターンを選択する制御手段を備えることを特徴とするイオンビーム装置。
【請求項６】
請求項１に記載のイオンビーム装置において、
前記イオンビーム光学系室及び前記試料室は真空状態であることを特徴とするイオンビーム装置。
【請求項７】
請求項１または２に記載のイオンビーム装置において、
前記成形されたイオンビームによる前記試料への照射を遮るシャッタを備えることを特徴とするイオンビーム装置。
【請求項８】
請求項１または２に記載のイオンビーム加工装置において、
前記イオン源は液体金属イオン源またはデュオプラズマトロン型イオン源であることを特徴とするイオンビーム装置。
【請求項９】
請求項２に記載のイオンビーム装置において、
前記質量分離器と質量分離アパーチャとの間に前記質量分離器を通過した前記イオンビームを集束する集束レンズを備えることを特徴とするイオンビーム装置。