(57)【要約】【課題】イオンビーム形状とスキャンピッチとのミスマッチに起因するイオン注入のドーズ量及び注入深さ等のバラツキを抑制する。【解決手段】イオン注入装置はデフォーカス部２０５を備えている、デフォーカス部２０５は、イオンビーム２００を収束させるための収束レンズ２０６と、収束レンズ２０６によって収束されたイオンビーム２００を発散させることにより拡げるための発散レンズ２０７とを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体に不純物をイオン注入する方法であって、
一旦収束させた後に発散させたイオンビームを用いてイオン注入を行うことを特徴とする不純物注入方法。
【請求項２】
請求項１に記載の不純物注入方法において、
発散させた前記イオンビーム中のイオンの前記被処理体に対する注入角度を所定の角度に制御することを特徴とする不純物注入方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の不純物注入方法において、
前記被処理体は半導体基板又は半導体層であり、
前記被処理体上には、フォトレジスト又はハードマスクからなり且つ開口部を有するパターンが形成されており、
前記不純物は前記開口部を通って前記被処理体中に注入されることを特徴とする不純物注入方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の不純物注入方法において、
前記イオンビームを前記被処理体に対して２次元的にスキャンさせることを特徴とする不純物注入方法。
【請求項５】
請求項４に記載の不純物注入方法において、
前記イオンビームを、第１のスキャン速度でファーストスキャン方向にスキャンさせると共に、前記第１のスキャン速度よりも小さい第２のスキャン速度でスロースキャン方向にスキャンさせることを特徴とする不純物注入方法。
【請求項６】
請求項５に記載の不純物注入方法において、
前記被処理体は回転体上に載置されており、
前記第１のスキャン速度は、前記回転体の回転により与えられ、
前記第２のスキャン速度は、前記回転体の往復運動により与えられることを特徴とする不純物注入方法。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の不純物注入方法において、
前記イオンビームの最大強度をＩｍａｘ、前記イオンビームの強度プロファイルにおける前記最大強度Ｉｍａｘの５０％の位置での強度変化率をＳ５０、前記スロースキャン方向におけるスキャンピッチをＰｓとしたときに、Ｐｓ＜Ｉｍａｘ／Ｓ５０の関係が成り立つように前記強度変化率Ｓ５０を制御することを特徴とする不純物注入方法。
【請求項８】
請求項７に記載の不純物注入方法において、
前記イオンビーム中のイオンの前記被処理体に対する注入角度は前記イオンビームの全域に亘って一定の角度に制御されていることを特徴とする不純物注入方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の不純物注入方法において、
１ＭｅＶ以上の加速エネルギーでイオン注入を行うことを特徴とする不純物注入方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の不純物注入方法において、
前記イオンビームはスポットビームであることを特徴とする不純物注入方法。
【請求項１１】
被処理体に不純物をイオン注入するイオン注入装置であって、
イオンビームを収束させるための収束レンズと、前記収束レンズによって収束された前記イオンビームを発散させることにより拡げるための発散レンズとを有するデフォーカス部を備えていることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載のイオン注入装置において、
前記デフォーカス部は、前記発散レンズによって拡がった前記イオンビーム中のイオンの前記被処理体に対する照射角度を制御する制御レンズをさらに有していることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載のイオン注入装置において、
前記制御レンズは他の収束レンズであることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項１４】
請求項１１〜１３のいずれか１項に記載のイオン注入装置において、
前記デフォーカス部の後段に、前記イオンビームの形状を測定できるビームプロファイラーをさらに備えていることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載のイオン注入装置において、
前記ビームプロファイラーにより得られた情報が前記デフォーカス部にフィードバックされることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項１６】
請求項１１〜１３のいずれか１項に記載のイオン注入装置において、
前記イオンビームを前記被処理体に対して２次元的にスキャンさせる機構をさらに備えていることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載のイオン注入装置において、
前記機構は、前記イオンビームを、第１のスキャン速度でファーストスキャン方向にスキャンさせると共に、前記第１のスキャン速度よりも小さい第２のスキャン速度でスロースキャン方向にスキャンさせ、
前記デフォーカス部の後段に、前記ファーストスキャン方向及び前記スロースキャン方向のそれぞれにおける前記イオンビームの形状をスカート部分まで測定できるビームプロファイラーをさらに備えていることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載のイオン注入装置において、
前記ビームプロファイラーにより得られた情報が前記デフォーカス部にフィードバックされることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項１９】
請求項１７又は１８に記載のイオン注入装置において、
前記機構は、前記被処理体を載置する回転体を有し、
前記第１のスキャン速度は、前記回転体の回転により与えられ、
前記第２のスキャン速度は、前記回転体の往復運動により与えられることを特徴とするイオン注入装置。
【請求項２０】
請求項１１〜１９のいずれか１項に記載のイオン注入装置において、
１ＭｅＶ以上の加速エネルギーでイオン注入を行うことを特徴とするイオン注入装置。
【請求項２１】
請求項１１〜２０のいずれか１項に記載のイオン注入装置において、
前記イオンビームはスポットビームであることを特徴とするイオン注入装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造工程、特に、半導体基板の深い領域に選択的に不純物を注入する工程で用いる不純物注入方法及びイオン注入装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路素子、特に、ＣＣＤ（Charge Coupled Device ）若しくはＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor ）センサーなどの固体撮像素子、又はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）などの高耐圧素子においては、シリコン基板表面から深い位置に不純物層を形成する必要性が増している。
【０００３】
このような深い位置への不純物の導入には、かつては、半導体表面部への不純物導入とその後の高温・長時間の熱処理とによるドライブイン技術が用いられてきたが、近年では、厚いフォトレジスト膜やハードマスクを用いて、高エネルギーのイオン注入により半導体基板の深い部分に選択的に不純物拡散層を形成する技術が用いられている。
【０００４】
例えば特許文献１には、固体撮像素子においてポテンシャルを形成するための画素全てに対し、超高エネルギーイオン注入を行うこと、及びＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のそれぞれのフォトダイオードに対してもそれぞれ高エネルギーイオン注入をレジストマスクを用いて行うことが開示されている。
【０００５】
また、特に、Ｒに相当する波長の比較的長い光が半導体基板のより深い位置に到達することを考慮すると、Ｒのフォトダイオードの感度を向上させるためには、より深い、つまり、より高エネルギーのイオン注入が要求されることが容易に考えられる。
【０００６】
また、例えば特許文献２にはＩＧＢＴの製造方法が記載されており、特に、横方向の不純物拡散領域の広がりは素子の微細化を阻害するため、高エネルギー注入と制御された熱拡散とを用いて深い領域に横広がりのない不純物層を形成することが記載されている。
【０００７】
このように高エネルギー注入を用いると共にレジスト等をマスクとして半導体基板の深い部分に不純物を導入した後に必要最小限の熱処理を行って横広がりのない深い不純物拡散層を形成する技術は極めて重要な技術の１つとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２３５７５３号公報
【特許文献２】特開平８−１７８４８号公報
【特許文献３】特開２００３−２４８２９３号公報
【特許文献４】特開平６−２０４１６２号公報
【特許文献５】特開２００８−５２２４３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、前述のような従来の高エネルギーイオン注入をレジストマスクを用いて選択的に実施した場合には、以下に述べるような種々の問題が発生する。
【００１０】
例えば特許文献３には、高エネルギーイオン注入のマスクとして、いかに厚膜のレジストに微細な開口パターンを形成するかが開示されている。詳しくは、特許文献３には、イオン（ボロン（Ｂ））注入の加速エネルギーが３ＭｅＶで５．５μｍのレジスト厚が必要であることが開示されおり、さらに、この厚膜レジストに１μｍ以下の微細パターンを形成する必要性が記載されている。
【００１１】
近年では、５ＭｅＶのイオン（Ｂ）注入を用いることも希ではない。３ＭｅＶで加速されたＢのＲｐ（平均飛程）及びΔＲｐ（Ｒｐの１σ）はそれぞれ３．８３μｍ及び０．２１３４μｍであるから、３ＭｅＶのイオン（Ｂ）注入のマスクとしては少なくとも厚さ５．５μｍ程度のレジストが必要である。それに対して、５ＭｅＶで加速されたＢの平均飛程Ｒｐ及びΔＲｐ（１σ）はそれぞれ５．９６μｍ及び０．２６３８μｍであるから、５ＭｅＶのイオン（Ｂ）注入のマスクとしては少なくとも厚さ８μｍ程度のレジストが必要である。
【００１２】
また、例えば特許文献４には、高エネルギーイオン注入を行う際には、レジストパターンの形状、特に、スカート部分の裾引き（レジストだれ）が問題となることが開示されており、レジストだれの生じないレジスト材料が提案されている。
【００１３】
すなわち、特許文献４は、高エネルギーイオン注入を行う際には、レジストパターン側壁が垂直でなければ、イオンがレジストパターン側壁又は裾引き部分により阻害されて目的の深さまで導入できないことを示している。
【００１４】
図７は、イオン注入のための開口部が形成されたテーパー形状のレジストマスクを用いてシリコン基板の法線方向にイオン注入を行っている様子を模式的に示す断面図である。図７に示すように、シリコン基板６１上には、開口部６５を有するテーパー形状のレジストマスク６２が形成されており、レジストマスク６２を用いてシリコン基板６１の法線方向に高エネルギーでイオン注入６３が行われている。開口部６５からシリコン基板６１中に導入されたイオンは所定のＲｐを中心として分布すると共に横方向にもΔＲｐに近い広がりをもって分布する。これが正常な注入領域６６となる。一方、図７に示すように、レジストマスク６２の側壁部６４がテーパー形状を持っている場合、当該側壁部６４に入射したイオンはレジストマスク６２によって進行を阻害され、その結果、開口部６５からシリコン基板６１中に導入されたイオンと比較して、シリコン基板６１の浅い部分に注入される。また、これらのイオンは本来の正常な注入領域６６よりも横方向に広がってシリコン基板６１中に注入されるので、浅く広がった注入領域６７が形成される。この注入領域６７は望ましからざるものであり、このように、高エネルギーイオン注入においてはレジストだれ（レジストのパターンだれ）も問題となる。
【００１５】
また、前述のように、高エネルギーイオン注入のマスクとして用いるレジストについては膜厚が厚いため、仮にレジストパターン側壁が垂直であったとしても、イオン注入におけるイオンの入射方向にばらつきがあると、半導体基板の深い位置でのイオン分布が広がってしまい、所定の特性が得られない問題が生じる。
【００１６】
図８は、イオン注入のための開口部の側壁が垂直なレジストマスクを用いて、イオンの入射方向にばらつきが存在するイオン注入を行っている様子を模式的に示す断面図である。図８に示すように、シリコン基板７１上には、イオン注入のための開口部７６の側壁７５が垂直なレジストパターン７２が形成されており、レジストパターン７２をマスクとしてシリコン基板７１の法線方向に高エネルギーでイオンビーム７３の照射が行われている。ここで、イオンビーム７３は、所定の方向（シリコン基板７１の法線方向）を基準として角度偏差γのビーム広がり７４を有している。このようにイオン注入のための開口部７６の側壁７５が垂直なレジストパターン７２、つまり所望の形状を持つレジストパターン７２が形成されていたとしても、イオンビーム７３がビーム広がり７４を有していると、注入されるイオンはシリコン基板７１中で広がってしまう。すなわち、不純物注入領域は、Ｒｐ付近に形成される正常な注入領域７７と、その周囲にやや浅く広がった注入領域７８とからなる。ここで、イオンビーム７３が角度偏差γを持つことに起因して開口部７６近傍のレジストパターン７２を通過してシリコン基板７１に斜めに注入されたイオンはシリコン基板７１中において横方向にさらに広がり、Ｒｐよりも浅い注入領域を形成する。尚、イオンビーム７３を構成するイオンの入射角度は主としてシリコン基板７１の法線方向付近に分布するため、角度偏差を持つイオンは少数であり、これらがシリコン基板７１中で浅く広がって形成される注入領域７８中のイオンの総量は多くはないが、それでも不純物拡散層に無視できない横広がりと深さ方向の広がりとを生じさせてしまう。尚、図８に示すように、レジストパターン７２の厚さをＴとすると、不純物拡散層の横広がりは、（Ｔ＋Ｒｐ）×ｔａｎ（γ）＋ΔＲｐと計算される。
【００１７】
ところで、高エネルギーイオン注入においては高エネルギーのイオンビームを用いるため、ビームの収束性が高くなり、直径２０ｍｍ程度のきわめてシャープなビームとなる。また、図９に示すように、ウェハ８１に対するイオン注入においては、イオンビーム８２の照射は、スキャン速度の速いファーストスキャン８４と、スキャン速度の遅いスロースキャン８５とによって行われる。ここで、ファーストスキャン８４ではイオンビーム８２のスキャンが連続的に行われる一方、スロースキャン８５のスキャン速度が遅いため、あたかもファーストスキャン８４がウェハ８１上で一定のピッチ（スキャンピッチ）Ｐで繰り返されているかのようにイオン注入が行われる（スキャン軌跡８３）。また、スキャンピッチＰは、所定のビーム重ね合わせ８６が実現されるように設定される。
【００１８】
特許文献５には、ビーム形状（ビーム電流、ビームサイズ）によりファーストスキャン速度を変調することによって、所定のドーズ量及び所定の均一性に対してビームの利用効率を最大化することが開示されている。また、スロースキャン速度にはファーストスキャン速度から計算された値が用いられる。スロースキャンはビームのスキャンピッチを決めるものであり、スキャンピッチＰがビームサイズ（ここでは２０ｍｍとする）よりも大きい場合、均一性が全く確保できないことは明らかであるので、スキャンピッチは均一性の確保が可能な値に設定される。
【００１９】
例えば、ウェハが載置されたディスクの高速回転によってファーストスキャンを行うと共にディスク自体を回転させながら低速で変位させることによってスロースキャンを行うスキャン系を有する高エネルギーイオン注入装置において、ディスク中心からウェハ中心までの回転半径を７５０ｍｍとし、ディスクの回転数を８１５ｒｐｍ（つまり１３．６Ｈｚ）とすると、ウェハ中央部での線速度は６４ｍ／ｓｅｃに達する。一方、スロースキャンにおいてほぼ６０秒で３００ｍｍウェハを一往復するとすると、線速度は１ｃｍ／ｓｅｃとなる。このとき、スキャンピッチは、１ｃｍ／ｓｅｃ÷１３．６Ｈｚ＝０．７４ｍｍである。すなわち、スキャンピッチはビームサイズの１／２７程度である。
【００２０】
ここで、イオンビームのスキャンによる均一性の確保は、イオンビームがガウシアンビームであることが前提となっている。例えばガウシアンビームをビームサイズの１／２７程度で重ね合わせた場合、重ね合わせ後のドーズ量はほぼ一定の値になる。言い換えると、通常、ガウシアンビームの重ね合わせに起因するドーズ量の変動は無視できるほど小さくなる。
【００２１】
しかしながら、実際のイオンビームは対称なガウシアンビームとはならない。特許文献５においてもビーム形状としては放物線形状が想定されている。すなわち、特許文献５には、ビーム形状を放物線形状に保ったままでビーム電流の変化及びビームサイズの変化に対応させてファーストスキャン速度を変調することが開示されている。しかし、ビーム形状のパラメータのうち最も重要なパラメータの１つであるビームのスカート部分の形状については全く考慮されていないため、ビームスキャンピッチがビームサイズに比べて十分に小さく設定されていない場合には、ビームの重ね合わせ（ビームオーバラップ）に起因するドーズ量のフラクチュエーションが顕著に生じる場合がある。
【００２２】
また、高エネルギーイオン注入以外の通常のイオン注入の実施後には熱処理を用いた拡散によって注入不純物の濃度がより均一化される。しかし、前述したように、高エネルギーイオン注入の後には、その効果を消失させる高温・長時間の熱処理は行われない。また、固体撮像素子やパワーデバイスの製造における高エネルギーイオン注入のドーズ量は１×１０13／ｃｍ2 未満、場合によっては１×１０12／ｃｍ2 未満と低いため、ビームオーバラップの不足に起因するドーズ量のフラクチュエーションが目立ってしまう。例えば固体撮像素子における深いフォトダイオード及びその直下に形成されるポテンシャル形成領域のそれぞれの不純物濃度分布は、固体撮像素子の飽和特性を決定するパラメータであるが、これらの深い不純物拡散層の濃度分布にフラクチュエーションがあると、飽和特性の相違が画像として見えてしまったり、フォトダイオードに感度ムラが発生したりという問題が生じてしまう。また、高耐圧パワーデバイスにおいては耐圧のバラツキが発生するという問題が生じてしまう。
【００２３】
以上に説明したような、深い不純物拡散層の不純物濃度分布におけるばらつきを低減するために、スロースキャン方向のスキャン速度を低下させてスキャンピッチを狭めることが考えられる。例えばスロースキャン速度を１／３程度にすることにより、前述のスキャンピッチ０．７４ｍｍを０．２８ｍｍにすることができ、その結果、ビームオーバラップに起因するドーズ量のばらつきは１／３程度に低減される。しかしながら、この場合、容易に計算されるように、スロースキャン速度が１／３倍になったため、イオン注入に要する時間は３倍となり、生産性が１／３に低下するという問題が生じる。
【００２４】
ここで、スロースキャン速度の低下に伴ってファーストスキャン速度を変化させない場合にはビーム電流を１／３にする必要がある。もちろん、ビーム電流を１／３にする代わりに、ファーストスキャン速度を３倍に増大させてもよいのだが、前述のようにディスク回転によりファーストスキャンを行う場合、回転数を３倍にすることは困難である。一方、ビーム電流を低下させることにも以下のような難点がある。すなわち、前述したように固体撮像素子や高耐圧パワーデバイスの製造におけるイオン注入のドーズ量は比較的低いため、特に高エネルギーイオン注入装置を用いた場合にはイオンビームが収束しやすくなるので、ビーム電流をある一定の値以下にすることはできない場合が多い。
【００２５】
従って、深い不純物拡散層の不純物濃度分布におけるばらつきを低減するために、スロースキャン速度を遅くしてスキャンピッチを狭くする方法を用いることができるのは、ビーム電流をさらに低下させることが可能な場合に限られる。
【００２６】
以上に述べた諸課題に鑑み、本発明は、イオンビーム形状とスキャンピッチとのミスマッチに起因する高エネルギーイオン注入のドーズ量及び注入深さ等のバラツキを抑制することができる不純物注入方法及びイオン注入装置を提供し、それによって、固体撮像素子や高耐圧バワーデバイスなどの製造において高品質の深い不純物層を生産性を低下させることなく実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
前記の目的を達成するために、本発明に係る不純物注入方法は、被処理体に不純物をイオン注入する方法であって、一旦収束させた後に発散させたイオンビームを用いてイオン注入を行う。
【００２８】
本発明に係る不純物注入方法によると、一旦収束させた後に発散させたイオンビームを用いてイオン注入を行うため、イオンビームのスキャンピッチに対応してビーム形状、特に均一性に大きな影響を及ぼすビームスカート形状を制御することができる。具体的には、例えばイオンビームを発散させてブロードにすることにより、イオンビームのスキャンピッチを小さくすることなく、注入ドーズ量や注入深さ等の均一性を向上させることができるので、高エネルギーで低ドーズ量のイオン注入であっても生産性を犠牲にすることなく均一性を向上させることができる。
【００２９】
従って、本発明に係る不純物注入方法を、固体撮像素子の深いウェル若しくはフォトダイオードの形成、又は高耐圧デバイスの深い不純物拡散層の形成等に適用することにより、固体撮像素子では飽和ムラや感度ムラ等を低減できると共に高耐圧デバイスでは耐圧バラツキ等を低減できるので、これらのデバイスを高性能化することができる。
【００３０】
本発明に係る不純物注入方法において、発散させた前記イオンビーム中のイオンの前記被処理体に対する注入角度を所定の角度に制御してもよい。このようにすると、高エネルギーイオン注入におけるイオンの入射方向のバラツキに起因する不純物注入領域の広がりを抑制することができる。
【００３１】
本発明に係る不純物注入方法において、前記被処理体は半導体基板又は半導体層であり、前記被処理体上には、フォトレジスト又はハードマスクからなり且つ開口部を有するパターンが形成されており、前記不純物は前記開口部を通って前記被処理体中に注入されてもよい。このようにすると、半導体基板又は半導体層の表面から深い位置に、注入ドーズ量や注入深さ等のバラツキの小さい不純物層を確実に形成することができる。
【００３２】
本発明に係る不純物注入方法において、前記イオンビームを前記被処理体に対して２次元的にスキャンさせてもよい。この場合、前記イオンビームを、第１のスキャン速度でファーストスキャン方向にスキャンさせると共に、前記第１のスキャン速度よりも小さい第２のスキャン速度でスロースキャン方向にスキャンさせてもよい。また、前記被処理体は回転体上に載置されており、前記第１のスキャン速度は、前記回転体の回転により与えられ、前記第２のスキャン速度は、前記回転体の往復運動により与えられてもよい。
【００３３】
本発明に係る不純物注入方法において、ファーストスキャン方向及びスロースキャン方向の２方向にイオンビームをスキャンさせる場合、前記イオンビームの最大強度をＩｍａｘ、前記イオンビームの強度プロファイルにおける前記最大強度Ｉｍａｘの５０％の位置での強度変化率をＳ５０、前記スロースキャン方向におけるスキャンピッチをＰｓとしたときに、Ｐｓ＜Ｉｍａｘ／Ｓ５０の関係が成り立つように前記強度変化率Ｓ５０を制御してもよい。このようにすると、イオンビーム形状をブロードにすることによって、イオンビームのスキャンピッチを小さくすることなく、注入ドーズ量や注入深さ等の均一性を確実に向上させることができる。この場合、前記イオンビーム中のイオンの前記被処理体に対する注入角度は前記イオンビームの全域に亘って一定の角度に制御されていてもよい。このようにすると、高エネルギーイオン注入におけるイオンの入射方向のバラツキに起因する不純物注入領域の広がりを抑制することができる。
【００３４】
本発明に係る不純物注入方法において、１ＭｅＶ以上の加速エネルギーでイオン注入を行うと、従来技術と比較して、前述の諸効果を確実に得ることができる。
【００３５】
本発明に係る不純物注入方法において、前記イオンビームはスポットビームであると、従来技術と比較して、前述の諸効果を確実に得ることができる。
【００３６】
ここで、スポットビームとは、イオン注入を行う被処理体、例えばウェハの直径の少なくとも１／５程度以下の直径を持つビームをいう。尚、スポットビームではないビーム、例えばファーストスキャン方向にはウェハの直径以上のサイズを持ち且つスロースキャン方向には２０ｍｍ程度のサイズを持ついわゆるリボン（帯状）ビームであっても、スロースキャン方向にはビーム重ねあわせが発生するので、本発明による効果を十分に得ることができる。
【００３７】
本発明に係るイオン注入装置は、被処理体に不純物をイオン注入するイオン注入装置であって、イオンビームを収束させるための収束レンズと、前記収束レンズによって収束された前記イオンビームを発散させることにより拡げるための発散レンズとを有するデフォーカス部を備えている。
【００３８】
本発明に係るイオン注入装置によると、イオンビームを収束させるための収束レンズと、収束レンズによって収束されたイオンビームを発散させることにより拡げるための発散レンズとを有するデフォーカス部を備えている。このため、イオンビームのスキャンピッチに対応してビーム形状、特に均一性に大きな影響を及ぼすビームスカート形状を制御することができる。具体的には、例えばイオンビームを発散させてブロードにすることにより、イオンビームのスキャンピッチを小さくすることなく、注入ドーズ量や注入深さ等の均一性を向上させることができるので、高エネルギーで低ドーズ量のイオン注入であっても生産性を犠牲にすることなく均一性を向上させることができる。
【００３９】
従って、本発明に係るイオン注入装置を、固体撮像素子の深いウェル若しくはフォトダイオードの形成、又は高耐圧デバイスの深い不純物拡散層の形成等に適用することにより、固体撮像素子では飽和ムラや感度ムラ等を低減できると共に高耐圧デバイスでは耐圧バラツキ等を低減できるので、これらのデバイスを高性能化することができる。
【００４０】
本発明に係るイオン注入装置において、前記デフォーカス部は、前記発散レンズによって拡がった前記イオンビーム中のイオンの前記被処理体に対する照射角度を制御する制御レンズをさらに有していてもよい。このようにすると、高エネルギーイオン注入におけるイオンの入射方向のバラツキに起因する不純物注入領域の広がりを抑制することができる。この場合、前記制御レンズは他の収束レンズであってもよい。
【００４１】
本発明に係るイオン注入装置において、前記デフォーカス部の後段に、前記イオンビームの形状を測定できるビームプロファイラーをさらに備えていてもよい。このようにすると、前記ビームプロファイラーにより得られた情報を前記デフォーカス部にフィードバックすることによって、イオンビーム形状を確実に制御することができる。
【００４２】
本発明に係るイオン注入装置において、前記イオンビームを前記被処理体に対して２次元的にスキャンさせる機構をさらに備えていてもよい。この場合、前記機構は、前記イオンビームを、第１のスキャン速度でファーストスキャン方向にスキャンさせると共に、前記第１のスキャン速度よりも小さい第２のスキャン速度でスロースキャン方向にスキャンさせ、前記デフォーカス部の後段に、前記ファーストスキャン方向及び前記スロースキャン方向のそれぞれにおける前記イオンビームの形状をスカート部分まで測定できるビームプロファイラーをさらに備えていてもよい。このようにすると、前記ビームプロファイラーにより得られた情報を前記デフォーカス部にフィードバックすることによって、イオンビーム形状、特に均一性に大きな影響を及ぼすビームスカート形状を確実に制御することができる。また、この場合、前記機構は、前記被処理体を載置する回転体を有し、前記第１のスキャン速度は、前記回転体の回転により与えられ、前記第２のスキャン速度は、前記回転体の往復運動により与えられてもよい。
【００４３】
本発明に係るイオン注入装置において、１ＭｅＶ以上の加速エネルギーでイオン注入を行ってもよい。このようにすると、従来技術と比較して、前述の諸効果を確実に得ることができる。
【００４４】
本発明に係るイオン注入装置において、イオンビームはスポットビームであってもよい。このようにすると、従来技術と比較して、前述の諸効果を確実に得ることができる。
【発明の効果】
【００４５】
本発明によると、スキャンピッチに対応してイオンビーム形状、特に均一性に大きな影響を及ぼすビームスカート形状を制御することにより、高エネルギーで低ドーズ量のイオン注入であっても生産性を犠牲にすることなく、注入ドーズ量や注入深さ等の均一性を向上させることができる。
【００４６】
従って、固体撮像素子の深いウェル若しくはフォトダイオードの形成、又は高耐圧デバイスの深い不純物拡散層の形成等に本発明を適用することにより、固体撮像素子では飽和ムラや感度ムラ等を低減できると共に高耐圧デバイスでは耐圧バラツキ等を低減できるので、これらのデバイスを高性能化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る不純物注入方法の適用対象の一例である固体撮像素子の断面構成を模式的に示した図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係るイオン注入装置の構成の一例を模式的に示す図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係るイオン注入装置のビームプロファイラーによってモニターされた、スロースキャン方向のビーム強度変化を模式的に示す図である。
【図４】図４（ａ）は、本発明の一実施形態に係る不純物注入方法によって形成した固体撮像素子の飽和特性のチップ面内分布を示す図であり、図４（ｂ）は、比較例としてビームスカート部のプロファイルを急峻にした高エネルギーイオン注入によって形成した固体撮像素子の飽和特性のチップ面内分布を示す図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に係る不純物注入方法におけるイオンビームの形状を決定するアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図６】図６（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、スキャンピッチＰＳ及びイオンビーム形状と、ビームオーバラップによるトータルドーズ量との関系を模式的に示す図である。
【図７】図７は、イオン注入のための開口部が形成されたテーパー形状のレジストマスクを用いてシリコン基板の法線方向にイオン注入を行っている様子を模式的に示す断面図である。
【図８】図８は、イオン注入のための開口部の側壁が垂直なレジストマスクを用いて、イオンの入射方向にばらつきが存在するイオン注入を行っている様子を模式的に示す断面図である。
【図９】図９は、イオン注入を、スキャン速度の速いファーストスキャンと、スキャン速度の遅いスロースキャンとによって行っている様子を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
（実施形態）
以下、本発明の一実施形態に係る不純物注入方法及びイオン注入装置について、図面を参照しながら説明する。
【００４９】
図１は、本実施形態に係る不純物注入方法の適用対象の一例である固体撮像素子の断面構成を模式的に示した図である。
【００５０】
図１に示す固体撮像素子は、例えばＮ型のシリコン基板１上に形成された例えば厚さ１０μｍ程度のＮ型のエピタキシャル層４上に形成されている。エピタキシャル層４の比抵抗は例えば３０Ω・ｃｍである。エピタキシャル層４の上部には、例えばＰ型のＢ（ボロン）注入層６が形成されていると共に、エピタキシャル層４におけるＢ注入層６の下側には、高エネルギーイオン注入により例えばＮ型のＡＳ（砒素）注入層５が形成されている。さらに、エピタキシャル層４の下部には、高エネルギーイオン注入により例えばＰ型のＢ注入層２が形成されている。エピタキシャル層４の低濃度Ｎ型層を挟むＰ型のＢ注入層２とＮ型のＡｓ注入層５とによって、画素であるフォトダイオード１０が構成されている。Ｂ注入層６上には、電荷を転送するためのトランスファーゲート９が形成されていると共に、Ｂ注入層６の最表面部におけるトランスファーゲート９とオーバーラップしない領域には例えば高濃度Ｐ型の表面層８が形成されている。エピタキシャル層４中には、フォトダイオード１０を挟むように、例えばＳＴＩ（shallow trench isolation）構造の分離領域７と例えばＰ型の分離領域３とが形成されている。Ｐ型の分離領域３は高エネルギーイオン注入により形成される。フォトダイオード１０の下部となるＰ型のＢ注入層２はＰ型の分離領域３と接続されている。
【００５１】
以下、本実施形態に係る不純物注入方法について、エピタキシャル層４の最も深い領域に位置するＰ型のＢ注入層２（フォトダイオード領域）を高エネルギーイオン注入によって形成する場合を例として説明を行う。
【００５２】
図２は、本実施形態に係る不純物注入方法に高エネルギーイオン注入装置（つまり本実施形態に係るイオン注入装置）の構成の一例を模式的に示す図である。
【００５３】
図２に示すように、本実施形態に係るイオン注入装置は、イオンビーム２００を被処理体であるウェハ（半導体基板）２１１に対して２次元的にスキャンさせるための回転体であるディスク２１０を有している。ここで、ディスク２１０上には、その外周に沿って、例えば直径３００ｍｍの複数の（例えば１３枚の）ウェハ２１１が載置されている。各ウェハ２１１の中心からディスク２０１の中心までの距離は例えば７５０ｍｍである。ディスク２１０が回転２１２を行うことにより、各ウェハ２１１に対して、イオンビーム２００を第１のスキャン速度でファーストスキャン方向にスキャンさせることができる。具体的には、回転２１２の回転数は例えば８１５ｒｐｍであるとすると、各ウェハ２１１の中心における回転２１２の線速度（つまり第１のスキャン速度）は６４ｍ／ｓｅｃである。この場合、ディスク２１０の回転２１２の周波数（１秒間当たり）は１３．６Ｈｚである。一方、ディスク２１０が往復運動２１３を行うことにより、各ウェハ２１１に対して、イオンビーム２００を第１のスキャン速度よりも小さい第２のスキャン速度でスロースキャン方向にスキャンさせることができる。具体的には、ディスク２１０は例えば３２０ｍｍの距離を１ｃｍ／ｓｅｃの速さで往復する。この場合、ファーストスキャンに対するスロースキャンのスキャンピッチは、１ｃｍ／ｓｅｃ÷１３．６Ｈｚ＝０．７４ｍｍとなる。
【００５４】
尚、本実施形態では、イオンビーム２００のビームサイズは最大ビーム電流値の８０％以上を持つビーム部分のサイズによって規定するものとし、その場合、イオンビーム２００のビームサイズは例えば２０ｍｍである。すなわち、ビームサイズが２０ｍｍであるのに対して、スキャンピッチは０．７４ｍｍである。
【００５５】
本実施形態に係るイオン注入装置の特徴は、イオンビーム２００のビーム形状（ビーム強度変化）をビームスカート部分まで制御できることである。具体的には、図２に示すように、本実施形態に係るイオン注入装置において、イオンソース２０１からイオン引き出し部２０２によって引き出されたイオンは質量分析部２０３を経由して加速器２０４によって加速されてイオンビーム２００として出射される。従来構成では、通常、加速器を出たイオンビームがそのままウェハに到達するのであるが、本実施形態に係るイオン注入装置においては、加速器２０４を出たイオンビーム２００は一旦、デフォーカスユニット２０５に導かれる。
【００５６】
デフォーカスユニット２０５においては、イオンビーム２００のビームサイズを収束レンズ２０６によって例えば２０ｍｍまで収束させた後、収束レンズ２０６の後段に設置した発散レンズ２０７により一旦ビームサイズを３０ｍｍ程度まで発散させてイオンビーム２００を拡げる。続いて、発散レンズ２０７によって拡がったイオンビーム２００中のイオンのウェハ２１１に対する照射角度（入射角）を、発散レンズ２０７の後段に設置した制御レンズ、例えば収束レンズ２０８によって制御する。
【００５７】
以上のように、本実施形態に係るイオン注入装置では、デフォーカスユニット２０５内に設置した収束−発散−収束の３つのレンズ２０６〜２０８により、イオンの入射角を変化させることなく、イオンビーム２００のみをぼかすこと（ビームデフォーカス）ができるようになっている。
【００５８】
また、本実施形態に係るイオン注入装置のさらなる特徴として、デフォーカスユニット２０５の後段に設置したビームプロファイラー２０９によって、ファーストスキャン方向（Ｘ方向）及びスロースキャン方向（Ｙ方向）のそれぞれにおけるイオンビーム２００の形状をビームスカート部分までモニターすることができる。また、ビームプロファイラー２０９により得られた情報はデフォーカスユニット２０５にフィードバックされる。これにより、本実施形態においては、デフォーカスユニット２０５でのビームデフォーカスと、ビームプロファイラー２０９でのビーム形状モニターとを繰り返すことにより、イオンビーム２００の形状、特にビームスカート部分の形状を所望の形状に制御することができる。
【００５９】
例えば膜厚５μｍ程度のレジスト膜をマスクとして、例えば加速エネルギー３ＭｅＶで２価ボロン（Ｂ++）を、ウェハ２１１主面の法線方向に対するチルト角度（入射角度）を０度に設定してウェハ２１１にイオン注入する場合、発散レンズ２０７を通過したイオンビーム２００の中央部の入射角度は０度のままであるが、イオンビーム２００のスカート部は外方に広がる。そこで、最終段のレンズである収束レンズ２０８によって、スカート部を含めたイオンビーム２００の入射角度を例えば０±０．５°以内に制御する。尚、加速エネルギー３ＭｅＶのＢ+のＲｐ（平均飛程）は３．８３μｍであり、ΔＲｐ（Ｒｐの１σ）は０．２１３４μｍであるため、５μｍのレジスト膜厚によって十分なマスク効果が得られる。また、±０．５°の角度誤差に起因するイオンの広がりは、Ｒｐが３．８３μｍのＳｉ中においては７７ｎｍ程度となり、これは、イオンビーム自身のΔＲｐ＝０．２１３４μｍよりも十分に小さいので、０±０．５°以内の入射角度制御の妥当性を示している。
【００６０】
以下、本実施形態に係るイオン注入装置におけるデフォーカスユニット２０５によるビームスカート部分のビーム形状（ビーム強度変化）の制御について詳述する。
【００６１】
本実施形態の特徴は、イオンビーム２００の最大強度をＩｍａｘ、イオンビーム２００の強度プロファイルにおける最大強度Ｉｍａｘの５０％の位置での強度変化率をＳ５０、スロースキャン方向（Ｙ方向）におけるスキャンピッチをＰｓとしたときに、下記（式１）
Ｐｓ＜Ｉｍａｘ／Ｓ５０  ・・・  （式１）
の関係が成り立つように強度変化率Ｓ５０を制御することである。言い換えると、（式１）の変形により得られる下記（式２）
Ｓ５０＜Ｉｍａｘ／Ｐｓ  ・・・  （式２）
の関係が成り立つように強度変化率Ｓ５０を制御することである。（式１）の右辺Ｉｍａｘ／Ｓ５０は、強度変化率Ｓ５０での強度プロファイル幅であるから、（式１）は、この強度変化率Ｓ５０での強度プロファイル幅よりもスキャンピッチＰｓが小さければ、注入ドーズ量や注入深さ等の均一性が向上することを意味している。逆に、（式２）は、強度変化率Ｓ５０を小さくすれば（ビームスカート部分の形状をブロードにすれば）、スキャンピッチＰｓを小さくすることなく、均一性向上効果が得られることを意味している。ここで、イオンビーム２００中のイオンのウェハ２１１に対する注入角度は、最終段の収束レンズ２０８によって制御イオンビーム２００の全域に亘って一定の角度（例えば０±０．５°以内）に制御される。これにより、高エネルギーイオン注入におけるイオンの入射方向のバラツキに起因する不純物注入領域の広がりを抑制することができる。
【００６２】
図３は、本実施形態のビームプロファイラー２０９によってモニターされた、スロースキャン方向（Ｙ方向）のビーム強度変化（ビーム強度プロファイル）を模式的に示す図である。図３において「３１」はビーム最大強度Ｉｍａｘであり、「３２」はビーム幅（ビームサイズ）であって、最大強度Ｉｍａｘの８０％以上を持つビーム部分のサイズによって規定されている。また、「３３」は、ビーム強度プロファイルにおける最大強度Ｉｍａｘの５０％の位置での強度変化率Ｓ５０である。ここで、スキャンピッチＰｓが前述のように例えば０．７４ｍｍであり、最大強度Ｉｍａｘが例えば１９μＡであるとすると、前記（式２）から、２５．７μＡ／ｍｍよりも小さければよいことが分かる。そこで、本実施形態では、デフォーカスユニット２０５とビームプロファイラー２０９とを用いて強度変化率Ｓ５０を１０μＡ／ｍｍに制御する。このとき、ビームサイズは例えば２０ｍｍのままである。
【００６３】
尚、前述のように、イオンビーム２００の形状、特に、ビームスカート部分の形状の制御は、デフォーカスユニット２０５の後段に設けられたビームプロファイラー（Ｘ−Ｙビームプロファイラー）２０９により得られたビーム形状をデフォーカスユニット２０５にフィードバックすることにより行われる。また、ドーズ量等のばらつきを防止するためには、イオンビーム２００の形状について、前述の（式１）の関係Ｐｓ＜Ｉｍａｘ／Ｓ５０が満たされていることが必要である。もちろん、スキャンピッチＰｓを狭くすることによって均一性を確保することも可能であるが、その場合には、スループットの低下が避けられず、実用的ではない。
【００６４】
図４（ａ）は、以上に説明した本実施形態の高エネルギーイオン注入によって形成した固体撮像素子の飽和特性のチップ面内分布を示す図であり、図４（ｂ）は、比較例として強度変化率Ｓ５０を５０μＡ／ｍｍに設定した（つまりビームスカート部のプロファイルを急峻にした）高エネルギーイオン注入によって形成した固体撮像素子の飽和特性のチップ面内分布を示す図である。尚、図４（ａ）及び（ｂ）において、横軸はチップのＹ方向（スロースキャン方向）の位置を示し、縦軸はチップのＸ方向（ファーストスキャン方向）の中央位置における飽和電子数（任意単位（ａ．ｕ．））を示している。
【００６５】
図４（ａ）に示すように、本実施形態のように、デフォーカスさせたイオンビームを用いたイオン注入によって形成した固体撮像素子では、飽和電子数のバラツキは小さく抑制されている。しかし、図４（ｂ）に示すように、比較例のように、ビームスカート部のプロファイルを急峻にした（他のスキャン条件は本実施形態と同じ）イオンビームを用いたイオン注入によって形成した固体撮像素子では、イオンビーム形状とスキャンピッチ（０．７４ｍｍ）とのミスマッチに起因する飽和電子数のバラツキ（飽和ムラ）が観察されている。この飽和ムラはウェハ全域に亘って観察され、飽和ムラのピッチはスキャンピッチとほぼ一致する。また、図４（ｂ）では、Ｘ方向のチップセンターでの情報のみをプロットしているが、撮像素子により得られた画像を見ると、この飽和ムラはＹ方向において縞模様として観察される。
【００６６】
図５は、本実施形態に係る不純物注入方法におけるイオンビームの形状を決定するアルゴリズムを示すフローチャートである。
【００６７】
図５に示すように、まず、ステップＳ１において、所定のドーズ量及び所定の均一性の要求に対して、ビーム電流及びビームサイズの目標を決定する。
【００６８】
次に、ステップＳ２において、前述のビームプロファイラー２０９によって、ビーム形状の計測を行い、続いて、ステップＳ３において、目標とするビーム電流及びビームサイズが得られているかどうかが判断される。目標とするビーム電流及びビームサイズが得られていない場合には、ステップＳ８において、ビーム整形を行い、その後、ステップＳ２以降の処理を繰り返す。
【００６９】
ステップＳ３において、目標とするビーム電流及びビームサイズが得られていると判断された場合には、ビームプロファイラー２０９により得られたビームプロファイルに基づいて、ステップＳ４において、ファーストスキャン速度及びスロースキャン速度を決定する。本実施形態の場合には、ファーストスキャン速度は、前述のディスク２１０の回転数により決定されるため、通常は固定値（例えば８１５ｒｐｍ）となる。但し、ファーストスキャンを静電的に（つまり電界により）又は電磁的に（つまり磁界により）行う場合には、ファーストスキャン速度は容易に可変にすることができ、また、その可変幅も広いので、スキャン途中でもビームプロファイラーの情報によってビームプロファイルが変化すれば、その変化に追従してファーストスキャン速度を変調させることが可能となる。
【００７０】
ところで、前述したように、本実施形態のごとくディスク回転でファーストスキャン速度を決定するイオン注入装置においてはディスクの慣性によりスキャン速度の追従性が悪いため、ファーストスキャン速度は通常固定される。このとき、スロースキャン速度の低下は生産性の低下に直結するため、ビーム電流値が低くてスロースキャン速度を遅くしなければならない場合には、再度ビーム電流値向上のためのチューニングが行われる。すなわち、ドーズ量及び均一性はスロースキャン速度により決定されることになる。ビーム電流値の向上に成功すれば、スロースキャン速度を保持したままスキャンが行われるが、ビーム電流値を向上させることができなければ、スロースキャン速度は低速に設定される。ここで、スロースキャン速度自体を遅くすることに代えて、又はスロースキャン速度を遅くすることに加えて、スロースキャンによる往復回数つまりスロースキャン回数を増やしてもよい。本実施形態のように回転する大型ディスクをスロースキャンで移動させる場合、スロースキャン速度の変化には限界があると共に、スロースキャン速度は通常比較的低速に設定されているので、従来であればスロースキャン回数による調整が行われる。ちなみに、本実施形態のイオン注入装置ではスロースキャン速度は１ｃｍ／ｓｅｃであり、直径３００ｍｍウェハの往復スキャンには約６４秒を要する（ウェハ両端で１０ｍｍづつオーバースキャンが行われるために実際のスキャン長が３２０ｍｍとなるため）。
【００７１】
このように、ビーム電流値がドーズ量の要求に対して低い場合や均一性的にスロースキャン回数が足らない場合には、従来であればスロースキャン回数を増やすことにより対応していた。すなわち、スロースキャンを一往復のみではなく、２往復又は３往復等のように繰り返し行う。しかし、スロースキャン回数を増やすことができるのは、２回（つまり１往復）のスロースキャンで注入できるドーズ量と比較してビーム電流値が小さい場合である。例えば本実施形態ではドーズ量として例えば５×１０11／ｃｍ2 が要求されているが、スロースキャン回数を２回（１往復）とすれば、５×１０11／ｃｍ2のドーズ量を、８１５ｒｐｍのファーストスキャン速度と１ｃｍ／ｓｅｃのスロースキャン速度と２０ｍｍのビームサイズとによって実現するために必要なビーム電流値は１９μＡとなる。すなわち、ビーム電流値が１９μＡよりも大きい場合には、スロースキャン速度を速くしてスキャンピッチを広げなければならない。例えばビーム電流値が３８μＡであれば、スロースキャン速度を２ｃｍ／ｓｅｃに設定しなければならない。しかし、この場合には、スキャンピッチが０．７４ｍｍ（ファーストスキャン速度が１ｃｍ／ｓｅｃの場合のスキャンピッチ）から１．４８ｍｍに広がるので、均一性の確保は困難になる。
【００７２】
一方、スキャンピッチを０．７４ｍｍよりもさらに狭くするためには、スロースキャン速度を遅くすれば良く、例えば０．３３ｃｍ／ｓｅｃのスロースキャン速度によりスキャンピッチを０．２４６ｍｍまで狭くすることができる。この場合、ビーム電流値を１９μＡの１／３の６．３μＡに下げる必要がある。また、この場合、ファーストスキャン回数が３倍となるため、イオン注入に要する時間は３倍となるが、イオンビームのスキャンピッチが狭いため、より均一な注入が可能となる。しかし、このような低ビーム電流値を持つイオンビームは生成しにくいため、６．３μＡのイオンビームが安定して得られない場合には、スキャンピッチを狭くすることはできない。従って、低ドーズ量（具体的には、１×１０12／ｃｍ2 未満）の要求に対しては低ビーム電流値を用いることが困難となるため、スロースキャン回数は最低回数（１回）にしなければならない場合が多いので、スキャンピッチを意図的に狭めることができない場合が多い。
【００７３】
それに対して、本実施形態では、ステップＳ５において、ステップＳ４で目標とするビーム電流に対して求められたスロースキャン速度からスキャンピッチＰｓを計算し、当該スキャンピッチＰｓについて、ビームプロファイラー２０９により得られた実際のビームスカート部分の強度変化率Ｓ５０を用いて、（式１）の関係Ｐｓ＜Ｉｍａｘ／Ｓ５０が満たされているかどうか判断する。（式１）の関係が満たされていなければ、ステップＳ７において、前述のデフォーカスユニット２０５（特に発散レンズ２０７と最終段の収束レンズ２０８）を用いて、ビームスカート部分の強度変化率Ｓ５０を小さくすることによって（式１）の関係が満たされるようにする。尚、その際にビームサイズが変化した場合には、スロースキャン速度やビーム電流値等の再計算が必要となるため、再度、ステップＳ８において、ビーム整形を行い、その後、ステップＳ２（ビームプロファイラー２０９によるビーム形状の計測）以降の処理を繰り返す。そして、ステップＳ５において、（式１）の関係が満たされていると判断された場合には、決定されたスキャン条件でイオン注入を開始する。例えば、前述のスキャン条件を用いた本実施形態のイオン注入では、ビーム電流値が１９μＡであり、スキャンピッチは０．７４ｍｍであるため、（式２）の関係を用いて、Ｓ５０＜Ｉｍａｘ／Ｐｓ＝１９／０．７４＝２５．７（μＡ／ｍｍ）と計算される。一方、本実施形態ではビームスカート部分の強度変化率Ｓ５０を１０μＡ／ｍｍに設定しているので、イオンビーム形状とスキャンピッチとのミスマッチに起因する不均一性は観察されなかった。
【００７４】
図６（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、スキャンピッチＰＳ及びイオンビーム形状（つまりビームスカート部分の強度変化率Ｓ５０）と、ビームオーバラップ（ビーム重ね合わせ）によるトータルドーズ量（図中破線）との関系を模式的に示す図である。
【００７５】
図６（ａ）は、明らかに（式１）の関係が満たされていない場合（つまりスキャンピッチＰｓがＩｍａｘ／Ｓ５０よりも大きい場合）を示しており、この場合、ビームオーバラップ、特にビームスカート部におけるオーバーラップが足らないため、トータルドーズ量はスキャンピッチＰｓを周期として波打つことになる。
【００７６】
図６（ｂ）は、図６（ａ）と同じイオンビーム形状（つまりデフォーカスしていないイオンビーム形状）のままスキャンピッチＰｓを狭くした場合を示している。前述のように、スロースキャン速度を低下させるか又はスロースキャン回数を増やすことにより、スキャンピッチＰｓを狭くすることができる。これにより、（式１）の関係は満たされるため、図６（ｂ）に示すように、ビームオーバラップが十分になるので、均一性は向上するものの、生産性の低下は避けられない。
【００７７】
図６（ｃ）は、図６（ａ）と同じスキャンピッチＰｓのまま本実施形態のようにビームスカート部分の形状をブロードに整形して（式１）の関係が満たされるようにした場合を示している。図６（ｃ）に示すように、ビームスカート部分のビーム強度の傾き（強度変化率）が緩やかになっているため、スキャンピッチＰｓが広いまま（つまり生産性の低下なく）、ビームスカート部分をオーバーラップさせて均一性を向上させることができる。
【００７８】
以上に説明したように、本実施形態によると、例えば収束レンズ２０６によって一旦収束させた後に例えば発散レンズ２０７によって発散させたイオンビームを用いてイオン注入を行うため、イオンビームのスキャンピッチに対応してビーム形状、特に均一性に大きな影響を及ぼすビームスカート形状を制御することができる。具体的には、例えば（式１）の関係が満たされるようにイオンビームを発散させてブロードにすることにより、イオンビームのスキャンピッチを小さくすることなく（或いはスキャン回数を増やすことなく）、注入ドーズ量や注入深さ等の均一性を向上させることができるので、高エネルギーで低ドーズ量のイオン注入であっても生産性を犠牲にすることなく均一性を向上させることができる。すなわち、スキャンピッチやスキャン回数に依存しない均一なイオン注入を実現することが可能である。
【００７９】
また、本実施形態によると、発散させたイオンビーム中のイオンの被処理体（例えばウェハ）に対する注入角度を例えば収束レンズ２０８によって所定の角度に制御するため、高エネルギーイオン注入におけるイオンの入射方向のバラツキに起因する不純物注入領域の広がりを抑制できる。
【００８０】
さらに、以上に説明した本実施形態の効果は、１ＭｅＶ以上の加速エネルギーでイオン注入を行う場合、及び／又は、イオンビームがスポットビームである場合に、従来技術と比較して、特に顕著に発揮される。
【００８１】
ここで、スポットビームを用いる場合、ビームサイズが小さくなるに従って、スキャン回数が増加し、それに伴いビームオーバーラップに起因する不均一性が発生しやすくなるため、極めて収束されたビームを用いることは、ウェハのような平面に対して均一に荷電粒子を導入する場合には不適当である。従って、妥当なスキャン回数でウェハ全面をスキャンできる程度のビームサイズは確保することが好ましい。例えば３００ｍｍ径のウェハに対して、少なくとも５０％のビームオーバーラップを行うとすると、ビームサイズが１０ｍｍならば６０回のスキャンが必要となり、本実施形態と比べて生産性が低下する。また、ビームサイズが１０ｍｍの場合、スキャンピッチを本実施形態の０．７４ｍｍよりも小さくする必要も生じる。
【００８２】
一方、ビームサイズを大きくすれば、スキャン回数を減らせるので、生産性を向上させることができる。例えば究極的に大きいビームサイズとしてウェハと同じサイズ（３００ｍｍ）のビームを用いた場合、スキャンの必要はなくなる。しかし、現状では、そのようなビーム形成は極めて困難であり、さらに、そのようなビーム内において均一性を確保することは困難である。そこで、ファーストスキャン方向には例えば３００ｍｍ程度の幅を持ち且つスロースキャン方向には例えば２０ｍｍ程度の幅を持ついわゆるリボン（帯）ビームが実用化されているが、リボンビームにおいても長辺方向であるファーストスキャン方向の均一性を確保することは容易ではない。しかも、リボンビームではファーストスキャンは不要となるものの、依然としてスロースキャンは必要であるので、本発明の課題からは逃れることはできない。言い換えると、リボンビームであっても、スロースキャン方向にはビーム重ねあわせが発生するので、本発明による効果を十分に得ることができる。
【００８３】
以上に説明したことから、本実施形態では、１０ｍｍ程度以上から、ウェハ径の少なくとも１／５程度（３００ｍｍ径ウェハの場合で６０ｍｍ程度）以下までの直径を持つビームをスポットビームとみなすものとする。もちろん、直径８０ｍｍのビームをスポットビームとみなしてもよいのであるが、スポットビームの利点であるビームの収束性（イオンの方向がそろっていること）は、ビームサイズが大きくなるにつれて悪くなるので、６０ｍｍ程度を超える直径を持つビームは本実施形態ではスポットビームとはみなさないものとする。
【００８４】
尚、本実施形態では、スキャンピッチに起因するマイクロノンユニフォーミティーが発現しやすい高エネルギー且つ低ドーズ量のイオン注入について、イオン種としてＢ（ボロン）を用いる場合を例として説明した。しかし、イオン種はＢに限られるものではなく、例えばＡｓ（ヒ素）やＰ（リン）等のイオン種を用いた場合にも、本実施形態と同様の効果が得られることは言うまでもない。また、各イオン種の価数に依存せず、本実施形態と同様の効果が得られることも言うまでもない。また、低ドーズ量のイオン注入に限らず、イオン電流値の大きいイオン注入を行い且つミリセカンドアニール等の短時間アニールを行う場合にも、スキャンピッチに起因するマイクロノンユニフォーミティーが発現するので、このような場合にも本実施形態と同様の不純物注入方法及びイオン注入装置を用いることにより、本実施形態と同様の効果が得られる。
【００８５】
また、本実施形態では、図１に示すエピタキシャル層４の最も深い領域に位置するＰ型のウェル領域２を高エネルギーイオン注入によって形成する場合を例として説明を行った。しかし、これに限らず、固体撮像素子のフォトダイオードの形成、又は高耐圧デバイスの深い不純物拡散層の形成等に本実施形態と同様の不純物注入方法及びイオン注入装置を適用することにより、固体撮像素子では飽和ムラや感度ムラ等を低減できると共に高耐圧デバイスでは耐圧バラツキ等を低減できるので、これらのデバイスを高性能化することができる。また、半導体基板又は半導体層上にフォトレジスト又はハードマスクからなり且つ開口部を有するパターンが形成されており、且つ、不純物が当該開口部を通って半導体基板又は半導体層中に注入される場合に本実施形態と同様の不純物注入方法及びイオン注入装置を適用することにより、半導体基板又は半導体層の表面から深い位置に、注入ドーズ量や注入深さ等のバラツキの小さい不純物層を確実に形成することができる。
【００８６】
また、本実施形態では、イオンビームを被処理体に対して２次元的にスキャンさせる場合を例として説明したが、このような２次元スキャン以外の他のスキャン方式を用いる場合に本実施形態と同様の不純物注入方法及びイオン注入装置を適用しても、本実施形態と同様の効果が得られる。また、２次元スキャン機構として、本実施形態のような回転ディスクとは異なる他の機構を用いる場合についても同様である。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
以上説明したように、本発明は、半導体装置の製造工程、特に、半導体基板の深い領域に選択的に不純物を注入する工程で用いる不純物注入方法及びイオン注入装置として有用である。
【符号の説明】
【００８８】
１    シリコン基板
２    Ｂ注入層
３    分離領域
４    エピタキシャル層
５    Ａｓ注入層
６    Ｂ注入層
７    分離領域
８    表面層
９    トランスファーゲート
１０    フォトダイオード
３１    ビーム最大強度
３２    ビームサイズ
３３    ビーム強度プロファイルにおける最大強度の５０％の位置での強度変化率
６１    シリコン基板
６２    レジストマスク
６３    イオン注入
６４    レジストマスクの側壁
６５    開口部
６６    正常な注入領域
６７    浅く広がった注入領域
７１    シリコン基板
７２    レジストパターン
７３    イオンビーム
７４    ビーム広がり
７５    レジストパターンの側壁
７６    開口部
７７    正常な注入領域
７８    浅く広がった注入領域
８１    ウェハ
８２    イオンビーム
８３    スキャン軌跡
８４    ファーストスキャン
８５    スロースキャン
８６    ビーム重ね合わせ
２００    イオンビーム
２０１    イオンソース
２０２    イオン引き出し部
２０３    質量分析部
２０４    加速器
２０５    デフォーカスユニット
２０６    収束レンズ
２０７    発散レンズ
２０８    収束レンズ
２０９    ビームプロファイラー
２１０    ディスク
２１１    ウェハ
２１２    回転
２１３    往復運動
【図１】
2011086643.tif 000003
【図２】
2011086643.tif 000004
【図３】
2011086643.tif 000005
【図４】
2011086643.tif 000006
【図５】
2011086643.tif 000007
【図６】
2011086643.tif 000008
【図７】
2011086643.tif 000009
【図８】
2011086643.tif 000010
【図９】
2011086643.tif 000011