(57)【要約】【課題】従来の装置では、飛び飛び照射によるビーム電力でウエハ温度分布を一様にしながら打込みを終了することができなかった。温度分布の不均一性により均一なシリコン層を持つＳＯＩ−ＳＩＭＯＸウエハの作製が困難であった。【解決手段】打込みの途中でビーム幅を変えるためのビーム断面形状制御器を設け、打込みの途中で打込みビーム幅を可変可能とした。【効果】均一なシリコン層を持つＳＯＩウエハが作製可能となる。特に１００ｎｍ以下の均一なシリコン層を持つＳＯＩウエハが作製可能となる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオンビームを発生するイオン源，イオン源で発生した酸素イオンビームを質量分離して酸素原子イオンのみを選別する質量分離器，質量分離されたイオンを所望の打込みエネルギーまで追加速する後段加速管，後段加速された酸素イオンビームの断面形状を調整する磁気四重極レンズ，酸素ビームの中に含まれる中性ビームを除去しかつビーム軌道を偏向させる偏向磁石，酸素イオンをシリコン基板に打込むための打込み室からなる酸素用イオン打込み装置において、ウエハ上のビーム断面形状を、目的とする最終の酸素打込み量に到る途中で変えるビーム断面形状制御器を設けた酸素用イオン打込み装置及びこのような断面形状を変化させた打込みを実施して作製された埋込み酸化膜付シリコンウエハ。
【請求項２】
請求項第１項記載の発明において、最終の酸素打込み量に到るまでに２回以上、ビーム断面形状を変化せしめて作製された埋込み酸化膜付シリコンウエハ。
【請求項３】
請求項第１項記載の発明において、ビーム形状を変化させるにあたり、打込みが終了する時点でのビームサイズが最も大きくなるようにビーム断面形状制御器を制御した酸素用イオン注入装置及びこれを用いて作製された埋込み酸化膜付シリコンウエハ。
【請求項４】
請求項第１項記載の発明において、ビーム形状を変化させても、打込み時のシリコンウエハ温度が一定になるようにウエハを加熱する手段を設けた酸素用イオン打込み装置及びこれを用いて作製された埋込み酸化膜付シリコンウエハ。
【請求項５】
請求項第１項記載の発明において、ビーム断面形状制御器からの決められた信号を磁気四重極レンズの駆動電源に入力せしめてビーム形状を変化させる酸素用イオン打込み装置。
【請求項６】
請求項第１項記載の発明において、打込み室にビーム形状を測定するためのビーム形状測定器を設け、かつビーム形状測定器からの信号をビーム断面形状制御器への入力信号とした酸素用イオン打込み装置。
【請求項７】
請求項第１項記載の発明において、イオン源がマイクロ波放電プラズマから酸素イオンビームを引出すマイクロ波イオン源であり、かつビーム断面形状制御器からの信号をマイクロ波出力電源に入力せしめ、マイクロ波電力を変化させてビーム形状を変える酸素用イオン打込み装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は大電流酸素イオンビームをシリコンウエハに打込んで、埋込み酸化膜付シリコンウエハ（ＳＯＩウエハ：Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）を作製するための酸素イオン注入装置に関わる。特に、埋込み酸化膜の上に形成されるシリコン層の厚みが１００ｎｍ以下の極薄ＳＯＩウエハを作製するための打込み装置において、ウエハ面内に均一な該シリコン層を形成するに好適な酸素用イオン打込み装置に関わる。
【０００２】
【従来の技術】
高集積半導体デバイスの作製では集積度の飛躍的な増加に伴い、近年低消費電力や超高速の半導体デバイスの作製に従来の固体シリコンウエハに代って、シリコン基板内に埋込み酸化膜（ＳｉＯ２　）を持つウエハ（ＳＯＩウエハ）が用いられてきている。図２はＳＯＩウエハの断面図である。ＳＯＩウエハを作製する方法には種々の方法があるが、１００ｎｍ以下のシリコン層を均一に作製するには高速に加速された酸素イオンをシリコン基板内に打込み、打込み後にウエハを高温熱処理して埋込み酸化膜を形成させるＳＩＭＯＸ（サイモックス，Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎｂｙ　Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ　Ｏｘｙｇｅｎ　，注入酸素による分離）法によるＳＯＩ作製法が好適と言われている。
【０００３】
ＳＩＭＯＸウエハ作製法はシリコンウエハに酸素をイオン打込みする工程と打込まれたウエハを高温熱処理する工程に大別される。本願発明はこのうち、前者のイオン打込み装置に関する発明である。
【０００４】
図３は、ＳＩＭＯＸウエハ作製のための従来の酸素用イオン注入装置を説明する図で、（Ａ）図は全体構成を説明する図、（Ｂ）図は打込み室内のウエハ配置と打込みビームの位置関係を説明する図である。図中のイオン源４（高電圧Ｖ１に維持）で発生した酸素イオンビームは質量分離器５で質量分離され原子状の酸素イオンビームのみに選別される。
【０００５】
酸素イオンビームは後段加速管６の電圧（Ｖ２）により追加速され、所定のエネルギー（Ｖ１＋Ｖ２）の酸素ビームとなる。さらに磁気四重極レンズ７によりビーム断面形状は変形を受ける。その後、偏向磁石８によりビーム軌道が曲げられ打込み室９に導入される。打込み室内には、（Ｂ）図に示すように回転する円板１０の表面にシリコンウエハ１１が並べられ、回転と共に円板を左右に機械的に振り子運動させ、円板上の各ウエハ内に均一にビームが打込まれるようにしている。打込み用の酸素イオンビーム１２は静止している。ウエハ上のビーム形状は、磁気四重極レンズ７のレンズパラメータを調整することにより（具体的には電磁石のコイル電流を変える）縦長の断面形状を持つようにする。代表的な値としては幅約４０ｍｍ，長さ約１００ｍｍ程度である。
【０００６】
図３の（Ｂ）図に示すように、ビーム断面の長さ方向が円板の回転方向と同じになるように、磁気四重極レンズの極性やレンズパラメータが調整される。また打込みではウエハ基板温度は酸素ビーム照射によって受ける程度の温度上昇の範囲（５００℃以下）で打込みが行われたり、あるいは強制的にランプヒータ１６を使ってウエハを５５０℃以上の高温に保ちながら打込みが行われる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＳＩＭＯＸウエハの作製では半導体デバイスが作製されるシリコン層３の厚みとして１００ｎｍ以上の比較的厚いシリコン層３を持つＳＩＭＯＸウエハが利用されていた。シリコン層の厚みのバラツキ、特にその膜厚不均一性が大きいほど、そこに形成される半導体デバイスの特性（例えばＣＭＯＳトランジスターの閾値電圧など）のバラツキは大きくなることが知られている。膜厚バラツキがデバイスに与える影響は、膜厚が薄くなるに伴い大きくなる。
【０００８】
これは、同じ値の膜厚バラツキでも、バラツキ／平均膜厚で定義される膜厚不均一性が、平均膜厚が小さいほど大きくなることからも明らかである。このため、シリコン層の平均厚みが１００ｎｍ以下の先端ＳＯＩウエハでは、シリコン層の厚みの均一性が一段と良好であることが求められる。
【０００９】
一方、埋込み酸化膜を形成するために必要な酸素イオンの打込み量は、一般に１平方ｃｍ当り１０の１７乗個と高い。十分な打込み処理のスループットを得るために、ボロン，リン，砒素などの不純物導入用の汎用大電流イオン注入装置（通常は１０ｋｅＶ以下）のボロン，リン，砒素イオン電流値（高々１０ｍＡ程度）に比べて、酸素打込みではその電流は５０〜１００ｍＡと極めて高い値が必要である。
【００１０】
また、十分な深さの場所に酸素を打込んで埋込み酸化膜を形成するために、一般に打込みエネルギー（Ｖ１＋Ｖ２）は１６０〜２４０ｋｅＶと高い。ビーム電力密度が大きくなるためビーム照射によるウエハの熱的破損を防止する観点から、図３の（Ｂ）図に示す振り子運動速度も汎用イオン打込み装置のそれに比べて一般的に高い値（数１０ｍｍ／秒〜数１００ｍｍ／秒）が使われている。
【００１１】
従来の酸素用イオン注入装置において、円板振り子運動に伴う半周期毎のウエハ上のビーム照射位置を図４に示す。図に示すように振り子運動速度が大きいため、結果的にビームは縞状に飛び飛びに照射される。飛び飛びの間隔は１回転毎の振り子スキャン移動距離に対応する。回転数と振り子スキャン速度の組み合わせを適当に選ぶことにより、同じ縞状の場所だけが照射されることがないようにしている。このような従来の酸素用イオン打込み装置の打込み時のウエハ温度を測定及び計算シミュレーションしたところ、ウエハ温度も図４と同様なムラが発生することが分った。図５は従来技術の酸素用イオン打込み装置に対し、温度シミュレーション計算を行った結果の一例である。図５では３００ｍｍウエハに１６０ｋｅＶ，８０ｍＡの打込みを行った場合のウエハ面内分布のシミュレーション結果である。図５でビームの当たった位置（図中、Ｃ）と当らない位置（図中、Ｄ）の温度差は、例えば、１８０ｋｅＶ，８０ｍＡの打込みでは、シミュレーション結果によれば、５０℃以上にも達する。図４に対応した縞状の温度ムラが現れている。
【００１２】
前述のように、ＳＩＭＯＸウエハは酸素イオン打込み処理後、ウエハは熱処理することで作製される。熱処理後のシリコン層３や埋込み酸化膜層２の厚みのバラツキに、打込み時のウエハ温度ムラが影響する。特に、シリコンの厚みで１００ｎｍ以下のＳＩＭＯＸウエハを作製する打込み時に顕著となる。その原因としては、シリコン層３内でイオンビーム照射により形成される結晶欠陥の質と量の出来かたが温度に影響されること、その熱処理時の回復の仕方がこれらの結晶欠陥の状態に影響されるからと考えられている。特に、結晶欠陥の生成や消滅は温度に敏感であるから、打込み終了直前の図５に対応する温度ムラはシリコン層３の不均一性の発生に特に影響するものと考えられる。このような温度ムラにより、シリコン層の厚みのバラツキは数％〜数１０％に達する場合がある。
【００１３】
上述のように、従来技術では打込み時のビームの飛び飛びのウエハ照射による温度ムラにより、熱処理後のＳＩＭＯＸウエハのシリコン層や埋込み酸化膜層の厚みにバラツキが発生する問題があった。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
ＳＩＭＯＸ基板作製用の酸素用イオン打込み装置における縞状の温度ムラをなくすには、図４，図５において、飛び飛びの照射領域が互いに十分、重なりあえば縞状の温度ムラは平滑化される。このためには、回転円板１０の半径方向の機械的な振り子運動速度を遅くするか、ビーム幅を拡充すれば良い。しかしウエハの熱的破壊を防止するために、振り子運動速度の低減には限度がある。均一な温度分布を得るには、振り子運動方向に対するビーム幅を飛び飛びの間隔以上に拡幅することが、より有効である。
【００１５】
一方、イオンビームをウエハに均一，一様に打込むためには、振り子運動に伴って各振り子運動毎にビームはウエハから完全に抜け切ることが必要である。無制限にビーム幅を広げた場合、完全に抜け切りを行うためには振り子幅は極めて大きくなる。この場合、相対的にウエハ以外の部分を無駄打ちする面積も極めて広くなるから、いわゆる打込み処理のスループットが低減する問題が発生する。したがって、ビーム幅の拡幅には適当な値が選ばれなければならない。実用上は、飛び飛びの間隔の高々、数倍程度が限度である。
【００１６】
また、打込み終了前のウエハ温度ムラが、ＳＩＭＯＸウエハのシリコン層や埋込み酸化膜の厚みのバラツキに強く影響することが考えられるので、ビーム幅の拡幅は打込み終了前の適当な打込み量が得られた時点で変更すれば良い。
【００１７】
図３（Ｂ）から明らかのように、振り子運動の振り子幅を変えないままビーム幅を大きく広げると、振り子スキャン方向においてウエハ両端の周辺部分はビームが完全に抜けきらなくなるから、不均一な打込み領域が発生する。しかし、ビーム幅拡大を打込み終了の直前に行えば、ビームがウエハから十分に抜けきらないことによるウエハ両端周辺での酸素イオン打込み量の不均一度合いは小さくできる。これは１平方ｃｍ当り約４×１０の１７乗個の高い酸素イオン打込み量を得るための振り子運動の全走査回数は数１０００回にも達するので、そのうちの数回や数１０回のビームがウエハから十分に抜け切らないことがあっても、全体の酸素打込み量バラツキへの影響は十分小さくできるからである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について説明する。図１は本発明をその実施例により説明する図である。図では、既定の打込み量に達した時点でビーム幅を変えることのできるビーム断面形状制御器１３が設けられている。ビーム断面形状制御器１３からの出力信号は、ビーム幅を変えるための磁気四重極レンズ７の駆動電源７′に入力される。ビーム幅を変える打込み量としては、既定値としてビーム断面形状制御器１３に設定されているか、或いは、打込み操作を行うための制御機器（例えばパーソナルコンピュータなど）からの決められた値のいずれでも良い。
【００１９】
以下、実施例の詳細を説明する。実施例では、イオン源４としてマイクロ波放電から酸素イオンビームを引出すマイクロ波イオン源を用いた。イオン源引出しエネルギー（Ｖ１）は４０〜６５ｋＶ、後段加速管６の後段加速電圧は１２０〜１７５ｋＶ（Ｖ２）であり、打込みエネルギーは１６０〜２４０ｋｅＶとした。打込み酸素電流は５０〜１００ｍＡで実験を行った。打込み室９内には３００ｍｍ直径のシリコンウエハを１２枚並べた回転円板が設けられ、回転数は約２５０ｒｐｍ　とした。円板直径は約１ｍである。ウエハ上のビーム幅は、図１のテレビカメラ１４により、観測している。ウエハに大電流の酸素ビームが当ると、ビーム照射部分が青白く光り、おおよそのビーム幅（振り子運動方向のビーム幅）が観察できる。
【００２０】
実験は打込みエネルギー１６０〜２４０ｋｅＶの範囲で行った。打込み酸素イオン電流値は８０ｍＡである。単位面積当り（１平方ｃｍ）３．７×１０　の１７乗個のイオン量を１２枚の３００ｍｍ直径のウエハ全体に均一に打込みした。打込み開始時のビーム幅は、幅約４０ｍｍ，高さ約１２０ｍｍである。まず、ビーム形状変化の操作を行わずに最後まで同一のビーム形状状態で打込みを完了させた。打込みウエハを熱処理しＳＩＭＯＸウエハのシリコン層３の面内厚み分布を分光エリプソメータで測定したところ、図５の縞状温度ムラに対応したシリコン層３の厚みのバラツキが観察された。そのバラツキは、ビーム電流や打込みエネルギーによって変わるが、代表的には数ｎｍ〜数１０ｎｍであった。
【００２１】
これに対し、図１の実施例において、打込み量がゼロから３．５×１０　の１７乗個／平方ｃｍまでの打込みに対しては従来のビーム幅約４０ｍｍで打込みを実施し、３．５×１０　の１７乗個／平方ｃｍから３．７×１０　の１７乗／平方ｃｍの打込みについては、ビーム断面形状制御器１３を使って、磁気四重極レンズの動作パラメータを変え、ビーム幅を約６０ｍｍ一定にした。打込み終了後、打込みウエハを高温炉で熱処理（アニール）してＳＩＭＯＸウエハとしたところ、シリコン層３の厚みのバラツキは従来の半分以下になった。上記実施例において、ビーム幅と最終的に作製されるＳＩＭＯＸウエハのシリコン層の厚みのバラツキの関係を実験的に調べたところ、幅を変えない場合（４０ｍｍ一定、従来技術）のシリコン層厚みの（最大−最小）の値は、７〜１０ｎｍ程度であったのに対し、３．５×１０の１７乗個／平方ｃｍ以上の打込みに対しビーム幅を約５０ｍｍに途中で変更した場合では５〜７ｎｍ、約６０ｍｍでは３〜５ｎｍ、６０ｍｍ以上では３ｎｍ以下となった。
【００２２】
従って、ビーム幅を６０ｍｍ以上に変える方が、発明の効果を得る上ではより好ましいことは明らかである。なおビーム幅を変えると、ビーム断面形状においてビームの高さも変わるが、ここでは高さも１２０ｍｍ程度になった。長さ方向で縮むかあるいは伸びるかはビーム電流値によっても変わるが、振り子運動方向のシリコン層厚みムラの低減効果にはビーム高さは影響しない。
【００２３】
次に、図６は、本発明に基づく別の実施例を説明する図である。本実施例ではビーム幅を打込みの途中で変えるため、ビーム断面形状制御器からの信号を、マイクロ波イオン源のマイクロ波発生電源１５に入力した。マイクロ波電力を変えると、ビーム出力も変わるが同時に引き出されるビームの発散角度も変わる。発散角度が変われば、ビーム輸送系の各ビーム制御器の動作が一定でもウエハ上のビームも変化する。本実施例ではマイクロ波出力を低下させビーム幅の拡幅を行った。ビーム幅を変えるために、マイクロ波電力を上げるか，下げるかの選択は、打込み電流レベルによって変わる。打込み電流が少ない場合には、マイクロ波電力を上げるとビーム幅が絞れる。ビーム断面形状制御器１３からの信号をマイクロ波電力増減のどちらに作用させるかは、打込み電流値によって変えねばならない。図６の実施例によって打込んだウエハをアニールした結果、図１の実施例と同様な改善効果が得られている。
【００２４】
次に、本願実施例では、ビーム幅を変えるタイミングとして３．５×１０　の
１７乗／平方ｃｍで実施したが、ビーム幅変更開始の打込み量として別の値（最終打込み量の１／３以上）でも、同様な効果は得られた。しかし、ビーム幅変更開始の打込み量が最終打込み量の２／３以下の場合には、振り子幅を変えないままビーム幅を拡幅したことによるビーム抜け切り不足に伴うウエハ周辺の不均一性が顕在化する。この時には、本願発明の効果を十分に得るには、振り子幅自身の拡幅も同時に実施することが好ましい。
【００２５】
さらに、ビーム幅の変更手順を、上記実施例と逆に変えても、ある程度の改善効果が得られた。すなわち、所定の打込み量になる前のビーム幅の方を約６０ｍｍとし、その後のビーム幅を約４０ｍｍとした場合でも、シリコン層の厚みの均一性に改善が見られた。これは打込み初期に均一なウエハ温度分布が実現され結晶欠陥の質と量の分布がある程度一様に作られたためと考えられる。詳細な原因解明には更なる物理的材料解析が必要であるものの、実用上は改善効果は見られた。ただその改善効果は、図１の実施例に比べやや劣る。具体的には、１×１０の
１６乗／平方ｃｍまでビーム幅６０ｍｍ以上で打込みを行い、その後、ビーム幅を約４０ｍｍに縮めて３．７×１０　の１７乗／平方ｃｍまで酸素イオンを打込んだ。打込みエネルギーは１８０ｋｅＶである。ウエハ温度はビームのみの照射による温度上昇で行われ、約４００℃であった。このウエハをアニール処理した結果、シリコン層のバラツキ（（最大−最小））は、５〜８ｎｍであった。
【００２６】
この他、ビーム幅を変えたことによりウエハ温度ムラは減少するが、ビームが広がってビーム電力密度が低くなるためウエハ温度の絶対値は下がる。そこでウエハをビーム以外のランプヒータ１６で加熱し、ウエハ温度の値が維持できるようにランプヒータ１６の出力を調整しながら図１あるいは図５の実施例による打込みを行った。その結果、ＳＩＭＯＸウエハとしてのシリコン層の厚みのバラツキは小さく、ウエハ温度制御の付加が本願発明の効果に影響ないことが確かめられた。
【００２７】
本願発明の実施例では、打込み電流が８０ｍＡでの結果を述べたが、他の打込み電流値（４０〜８０ｍＡ，８０〜１００ｍＡ）や打込みエネルギーで実施しても同等な効果が得られることは発明の本質からして明らかである。
【００２８】
また本実施例では、ビーム幅変更後のビーム幅を一定としたが、ビーム幅を打込み終了までに複数回変えた試験でも同等な効果が得られている。
【００２９】
さらに、本実施例では、ビーム幅の調整をテレビカメラによる目視観察で行ったが、回転円板にビーム幅測定用の機器（例えば、板あるいはファラデーカップなどの電流分布測定手段）を取り付け、この機器からのビーム分布データやその信号を使ってビーム断面形状制御器１３を駆動させ、磁気四重極レンズ７の駆動電源７′やマイクロ波発生電源１５の出力を変えても同様な効果が得られることも明らかである。
【００３０】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、酸素打込み時のビーム電力によるウエハの面内温度分布を均一にした打込みが可能となり、特に、１００ｎｍ以下の厚みで均一なシリコン層を持つＳＩＭＯＸウエハを作製する酸素用イオン打込み装置が実現可能となり、実用に供し、その効果は著しく大である。
【００３１】
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明とそれに基づく一実施例を説明する図。
【図２】ＳＯＩウエハの断面構造を説明する図。
【図３】従来の酸素用イオン打込み装置、（Ａ）は全体構成図、（Ｂ）は打込み室内の構成図。
【図４】打込み室回転円板の振り子運動に伴うビーム照射位置を説明する図。
【図５】従来技術による打込み終了時の３００ｍｍ直径ウエハ温度分布のシミュレーション結果を説明する図。
【図６】本発明に基づく別の実施例を説明する図。
【符号の説明】
１…シリコン基板、２…埋込み酸化膜層、３…シリコン層、４…イオン源、５…質量分離器、６…後段加速管、７…磁気四重極レンズ、７′…磁気四重極レンズ駆動電源、８…偏向磁石、９…打込み室、１０…回転円板、１１…シリコンウエハ、１２…打込み酸素イオンビーム、１３…ビーム断面形状制御器、１４…ビデオカメラ、１５…マイクロ波発生用電源。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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