(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板へ多価イオンを注入する方法において、半導体基板上に膜厚の異なる絶縁膜を有する２以上の半導体基板サンプルに多価イオンの注入を行い、半導体基板に注入されたイオン注入量をモニターして求め、その差から解離イオンの半導体基板への注入量を計算してウエハー面内の各ポイントに適用することにより、解離イオンのウエハー面内分布値を求め、解離イオンのウエハー面内分布値を用いてイオンビームのウエハー面内におけるスキャンスピードを制御することを特徴とする多価イオンの注入方法。
【請求項２】
前記多価イオンが２価イオンであって、半導体基板上に第１の絶縁膜を形成せしめた半導体基板サンプル１と、第１の絶縁膜より厚い膜厚の第２の絶縁膜を形成せしめた半導体基板サンプル２とにイオンを注入し、半導体基板サンプル１および半導体基板サンプル２の半導体基板に注入された全イオン量をモニターして求め、その差を計算してイオンビーム中に含まれる１価イオンを定量してウエハー面内の各ポイントに適用することにより、１価イオンのウエハー面内分布値を求め、１価イオンのウエハー面内分布値を用いてイオンビームのウエハー面内におけるスキャンスピードを制御することを特徴とする請求項１に記載の多価イオンの注入方法。
【請求項３】
前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜がシリコン酸化膜であり、第１の絶縁膜の膜厚が０．０１〜０．１μｍであり、第２の絶縁膜の膜厚が０．２〜１μｍであることを特徴とする請求項２に記載の多価イオンの注入方法。
【請求項４】
前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜がシリコン窒化膜であり、第１の絶縁膜の膜厚が０．００８〜０．０８μｍであり、第２の絶縁膜の膜厚が０．１６〜０．８μｍであることを特徴とする請求項２に記載の多価イオンの注入方法。
【請求項５】
前記半導体基板サンプルへのイオン注入量をサーマル−ウエーブでモニターすることを特徴とする請求項１または２に記載の多価イオンの注入方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造におけるイオン注入方法およびその方法に用いられる装置に関し、特にイオン注入量をモニタリングすることによりイオン注入量を制御して半導体基板にイオンを均一に注入する方法およびその方法に用いられる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のイオン注入装置においては、まず、所定のイオンは所望の深さに応じたエネルギーになるように加速された後、基板表面において適当な径になるように調製される。その後、この加速されたイオンビームは、ウエハー全面に一様に注入されるためＸＹ方向に操作され、基板表面から基板に打ち込まれる。注入される不純物としてのイオンの数や注入されたイオンがどれだけの深さで制止するかを示す、深さ方向分布はイオンの加速電圧、電流注入時間で制御される。従って、一定速度でイオンビームを注入すると、イオンビームのイオン種や加速エネルギーによってイオンの注入量が異なるため、ウエハー面内でイオンの注入量にばらつきが生じていた。これは、イオンビームの種類や加速エネルギーの大きさに応じて、スポットビームのビーム径やビーム形状の異なるものを用いる必要があるからである。この問題を解決し、ウエハー面内のイオンの均一化を図る方法として、イオンビームのウエハー面内各位置におけるスキャンスピードを制御する、スキャン・ユニフォミティー・アップグレード法(SCAN UNIFORMITY UPGRADE) が知られている。この方法は、事前にイオン注入されたウエハー面内分布のρs 値を測定して、その測定データに基づいて、次のイオン注入量をイオンビームの走査速度の制御によって補正する方法である。具体的には、ρs 値が低いスポットには、イオンビームの走査速度を相対的に速くし、イオンドーズ量を低下させる。
【０００３】
スキャン・ユニフォミティー・アップグレード法についての詳細は、特開昭６２−２８７５５号に記載されているが、図５にかかる手法のフローを示し、以下にこの方法の手順を簡単に記す。
【０００４】
ステップ１（Ｓ１）は、セオリティカル・ウエーブフォーム(THEORETICAL WAVEFORM)を求める工程である。セオリティカル・ウエーブフォーム  は、イオン注入装置本来の走査波形であり、ビームを走査するマグネットが及ぼす理論値を基にして得られる波形である。
【０００５】
ステップ２（Ｓ２）は、ビーム・ポジション・データ(BEAM POSITION DATA)を求める工程である。ビーム・ポジション・データは、スポットビームが走査マグネットにより曲げられた位置をウエハー上で実際に決定するためのデータである。
【０００６】
ステップ３（Ｓ３）は、モディファイド・ウエーブフォーム(MODIFIED WAVEFORM) を求める工程である。モディファイド・ウエーブフォームは、ビーム・ポジション・データを基にイオン注入するときの走査波形である。
【０００７】
ステップ４（Ｓ４）は、そのモディファイド・ウエーブフォームを基に基板上に酸化膜を有するウエハーにイオンを注入した後、アニールしてρs 値のウエハー面内分布であるラジアル・ドーズ・デストリビューション(RADIAL DOSE DISTRIBUTION)を求める工程である。
【０００８】
ステップ５（Ｓ５）は、ドーズ・コレクテッド・ウエーブフォーム(DOSE CORRECTED WAVEFORM) を求める工程である。ドーズ・コレクテッド・ウェーブフォームは、ステップ４で得られたラジアル・ドーズ・デストリビューションを基にイオン注入するときの走査波形であり、既に各位置におけるスキャンスピードを制御したものである。
【０００９】
ステップ６（Ｓ６）は、ステップ５で得られたドーズ・コレクテッド・ウエーブフォームの走査波形を用いて、再度酸化膜付ウエハーにイオンを注入した後アニールすることにより、改善されたρs 値の面内分布であるウエハー・ドーズ・データ(WAFER DOSE DATA) を得る工程である。
【００１０】
更にウエハー面内のイオン均一化を求める場合には、ステップ４以降の工程を繰り返せばよい。なお、このスキャン・ユニフォミティー・アップグレード法はスキャンスピードを制御することが目的であるため、ρs 値面内分布はビームの操作方向しか必要でない。
【００１１】
一般に、特定イオンをイオン注入する際、必要なドーパントを含むガス等をイオン化させると、１価から多価のイオンが発生する。従って、例えば１価のイオンのみを選択的にイオン化させて１価のイオンのみを注入することはできない。
【００１２】
例えば２価のイオンをウエハーに注入する場合には、イオン化の際、１価の特定の解離イオンも生ずる。前述の加速方式のイオン注入装置においては、イオン化したイオンビームをイオン源から引き出し、質量分析部で所望のイオンだけを取り出す。このとき、所望のイオンを磁束密度Ｂを用いて曲率半径Ｒに偏向する必要がある。曲率半径Ｒに偏向するための磁束密度Ｂの値は、以下の式（１）より求められる。
【００１３】
【数１】
Ｂ＝ｍｖ／ｑＲ＝ｍ（２Ｅ／ｍ）1/2 ／ｑＲ            （１）
式中、ｍは質量数であり、ｖはビーム速度であり、ｑは電荷数であり、Ｅは加速エネルギーである。
【００１４】
この式から、所望のイオン種を得るのに要する磁束密度はイオンの電荷数に反比例し、加速エネルギーの１／２乗に比例することが分かる。従って、所定の加速エネルギーを有する２価イオンとその１／４の加速エネルギーを有する１価イオンとは所望の曲率半径を得るためには同一の磁束密度を必要とするため、質量分析部ではこのような１価イオンと２価イオンとを分離することができず混在してしまう。かかる現象は２価イオンを注入する場合だけでなく多価イオンを注入する場合にも生じ、イオンの価数が多くなればなるほど多価イオンのイオン化の際、同時に発生する解離イオンの種類が多くなる可能性が高くなる。
【００１５】
１価から多価のイオンがウエハーに注入された場合、注入条件は同じでも、イオンの価数によって注入の深さや注入の分布が異なってくる。一般の半導体プロセスにおいて、多価イオンの注入は、半導体基板の非常に深い箇所に不純物を導入したり、非常に厚い絶縁膜を介した基板に不純物を導入したりする場合に用いられる。特に、２価イオンの注入は、シリコン基板内の埋め込み層形成や、パンチスルーストッパー用に行われる。多価イオンの注入時に混在するエネルギーの小さい解離イオンは、シリコン基板表面層に分布して、しきい値電圧の値に影響を及ぼす。従って、ウエハー面内に解離イオンのばらつきがある場合は、半導体装置のしきい値電圧にばらつきが生じることになる。多価イオン注入の場合は、この注入時に解離イオンのウエハー面内のばらつきを制御することが、ウエハー面内での半導体装置のしきい値電圧のばらつきを低減するために必要である。
【００１６】
従来のスキャン・ユニフォミティー・アップグレード法では、既に述べたように、イオンビームのスキャンスピードを制御することが目的であるので、ウエハー面内のビーム走査方向のρs 値分布を用いてビームのスキャンスピードを制御していた。ただし、その制御は、その解離イオンが混在する２価イオンの注入条件で、すなわち解離イオンの影響も含めた形で、ウエハー面内のイオン均一化を行わざるをえなかった。すなわち、従来のこの方法では、ウエハー面内の解離イオンのみの分布を直接評価して均一化を行うことはできず、完成した半導体装置のしきい値電圧をモニターすることにより、イオン注入の均一化を行っていた。
【００１７】
しかし、モニターするしきい値電圧は解離イオンによる影響だけでなく寸法や熱履歴等の因子による影響も受けており、この値を無視することはできなかった。そのため、完成した半導体装置のしきい値電圧からはウエハー面内の解離イオンの正確な分布を知ることは困難であった。また、解離イオンの量は２価イオンの量と比較して極端に少ないので、ρs 値の変化で解離イオンの量を測定することは困難であった。このように、従来のウエハー面内の半導体装置のしきい値電圧にはばらつきがあり、そのばらつきの程度は大きく、約１０％であった。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上の問題点を解決すべくなされたものであり、本発明は、多価イオンとその解離イオンとの挙動を分けて定量化し、スキャンスピードを制御することにより、多価イオンのウエハー注入量を均一にすることを目的とする。また、これにより、トランジスタの最も基本的なパラメータであるしきい値電圧のウエハー面内のばらつきを低減し、トランジスタ性能をウエハー面内で良好にすることを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体基板へ多価イオンを注入する方法において、半導体基板上に膜厚の異なる絶縁膜を有する２以上の半導体基板サンプルに多価イオンの注入を行い、半導体基板に注入されたイオン注入量をモニターして求め、その差から解離イオンの半導体基板への注入量を計算してウエハー面内の各ポイントに適用することにより、解離イオンのウエハー面内分布値を求め、解離イオンのウエハー面内分布値を用いてイオンビームのウエハー面内におけるスキャンスピードを制御することを特徴とする。
【００２０】
ここで、多価イオンは２価イオンであって、半導体基板上に第１の絶縁膜を形成せしめた半導体基板サンプル１と、第１の絶縁膜より厚い膜厚の第２の絶縁膜を形成せしめた半導体基板サンプル２とにイオンを注入し、半導体基板サンプル１および半導体基板サンプル２の半導体基板に注入された全イオン量をモニターして求め、その差を計算してイオンビーム中に含まれる１価イオンを定量してウエハー面内の各ポイントに適用することにより、１価イオンのウエハー面内分布値を求め、１価イオンのウエハー面内分布値を用いてイオンビームのウエハー面内におけるスキャンスピードを制御してもよい。
【００２１】
さらに第１の絶縁膜および第２の絶縁膜がシリコン酸化膜であり、第１の絶縁膜の膜厚が０．０１〜０．１μｍであり、第２の絶縁膜の膜厚が０．２〜１μｍであるとするか、または、第１の絶縁膜および第２の絶縁膜がシリコン窒化膜であり、第１の絶縁膜の膜厚が０．００８〜０．０８μｍであり、第２の絶縁膜の膜厚が０．１６〜０．８μｍであるとすることができる。
【００２２】
また、半導体基板サンプルへのイオン注入量は、サーマル−ウエーブでモニターしてもよい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明は多価イオンを注入する場合に適用することができるが、一例として以下に、２価イオンを注入する本発明の態様について説明する。まず、半導体基板上に膜厚の異なる絶縁膜を形成した半導体基板サンプル（半導体基板サンプル１、２）を作製する。この半導体基板サンプル１および２に２価イオンを注入することにより、２価イオンと解離イオンとのウエハー面内の挙動を独立して考えることができる。すなわち、半導体基板サンプル１と２との半導体基板中へのイオン注入量の差を多価イオン注入時におけるイオンビーム中にある解離イオンの半導体基板中への注入量とすることができる。これを用いてウエハー面内の各ポイントに適用することにより、ウエハー面内の分布値を求める。このウエハー面内分布値を用いて、イオンビームのウエハー面内におけるスキャンスピードを制御することにより、シリコン基板表面層の不純物分布の均一化が可能となる。その理由は、例えば半導体基板サンプル１の絶縁膜を薄く形成し、半導体基板サンプル２の絶縁膜の膜厚を厚く形成することにより、半導体基板サンプル１には１価イオン（解離イオン）と２価イオンとが基板中にドーピングされるが、半導体基板サンプル２には２価イオンのみが基板にドーピングされるため、半導体基板サンプル１とサンプル２のρs 値またはサーマルウエーブで測定したドーピング量の差は、１価イオンのドーピング量として測定されることになる。
【００２６】
なお、半導体基板サンプル１と２の絶縁膜の膜厚は以下の方法により決定される。すなわち、２価イオンビーム中に存在する解離イオンのイオン種と、その解離イオンが有する加速エネルギーは、上記式（１）により決定される。その加速エネルギーから、目的とするイオン種の絶縁膜の膜厚およびシリコン基板中での投影飛程と投影分散とが決定される。これに基づいて、解離イオンも透過する薄い膜厚をサンプル１の絶縁膜厚とし、解離イオンを透過せず所望のイオンのみを透過する膜厚をサンプル２の絶縁膜厚と決定する。
【００２７】
本発明において、半導体基板サンプルのシリコン基板上に設けられる絶縁膜は、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜であることが好ましい。また本発明においては、例えば２価イオンを注入するときの絶縁膜の膜厚は、シリコン酸化膜である場合は、０．０１〜０．１μｍと０．２〜１μｍの２種類の膜厚の絶縁膜であり、シリコン窒化膜である場合には、０．００８〜０．０８μｍと０．１６〜０．８μｍの２種類の膜厚の絶縁膜であることが好ましい。なお、本発明において、絶縁膜の膜厚の異なる半導体基板サンプルは２種類に限定されることはなく、複数種類とすることができる。かかる場合には、解離イオンの種類に応じて絶縁膜の膜厚を決定することができる。
【００２８】
また、半導体基板中へのイオン注入量の測定は低注入量の領域で感度のよいサーマルウエーブが好ましい。更に、本発明においては、酸化膜の形成方法は、熱酸化法でも化学蒸着法（ＣＶＤ法）でもよいが、均一な膜厚の絶縁膜が得られるという点からは、熱酸化法により形成することが好ましい。
【００２９】
以上説明したイオン注入は、前述した本発明の装置により実施することができる。
【００３０】
（実施例１）
α線による記憶の反転現象を防止するため、スタティックラム（ＳＲＡＭ：STATIC RANDOM ACCESS MEMORY)ではメモリーセル内にＰ型の埋め込み層を形成するが、このときボロンの２価イオン（11Ｂ++）の注入が行われる。イオン注入条件は、イオン種が11Ｂ++、加速エネルギーが２４０ｋｅＶ、ドーズが２Ｅ１３個／ｃｍ2 装置真空度が３．０Ｅ-3ｐａであり、イオンビーム中には数％の解離イオンが混入する。解離イオンは６０ｋｅＶの加速エネルギーをもつボロンの１価イオン11Ｂ+ であるので、半導体基板内の投影飛程は小さく基板表面に分布する。
【００３１】
このとき、１価イオン（11Ｂ+ 、６０ｋｅＶ）のシリコン酸化膜中での投影飛程は０．１９μｍであり、投影分散は０．０５μｍである。また、２価イオン（11Ｂ++、２４０ｋｅＶ）のシリコン酸化膜中での投影飛程は０．６５μｍであり、投影分散は０．１μである。
【００３２】
以下の順序に従って、半導体基板サンプル１および２を作成する。
【００３３】
半導体基板サンプル１の作製
単結晶シリコン基板上に、０．０３μｍの薄い膜厚のシリコン酸化膜を、熱酸化法により形成し、次いで、イオン種が11Ｂ++、加速エネルギーが２４０ｋｅＶ，ドーズが２．０Ｅ１３個／ｃｍ2 、ビーム電流が２３μＡの条件下で、イオン注入を行い、半導体基板サンプル１を作製した。
【００３４】
半導体基板サンプル２の作製
単結晶シリコン基板上に、０．４μｍの厚い膜厚のシリコン酸化膜を熱酸化法により形成し、次いで、イオン種が11Ｂ++、加速エネルギーが２４０ｋｅＶ，ドーズが２．０Ｅ１３個／ｃｍ2 、ビーム電流が２３μＡの条件下で、イオン注入を行い、半導体基板サンプル２を作製した。
【００３５】
図６に、酸化膜を通してイオン注入を行ったときのイオンの到達率を示す。
【００３６】
下記、式（２）から明らかなように、投影飛程をＲP 、投影分散をΔＲP とすると、１価イオンのＲP は０．１９μｍ、ΔＲP は０．０５μｍで、２価イオンのＲP は０．６５μｍ、ΔＲP は０．１μｍとなる。従って、サンプル１では酸化膜厚（ｔox）が０．０３μｍなので、投影飛程から界面までの距離を示す式 (ｔox−ＲP ）／ΔＲP よりその値を求めると、１価イオンで−３．２、２価イオンで−６．２となり、各値に対するイオン到達率γは両イオンともγ＝１０となる。また、サンプル２では、ｔoxが０．４μｍなので、１価イオンで (ｔox−ＲP ）／ΔＲP ＝４．２、２価イオンで (ｔox−ＲP ）／ΔＲP ＝−２．５となり、各値に対するイオン到達率γは、１価イオンでγ≦０．０１、２価イオンでγ＝１０となる。
【００３７】
以上より、サンプル１では１価イオン、２価イオン全てが基板中に、サンプル２では９９．９９％以上の１価イオンが酸化膜内にとどまってシリコン基板には到達せず、シリコン基板内には２価イオンの９９．９９％のみが導入されることになる。
【００３８】
【数２】
0003854362.tif 000002
式中、Ｎ(x) は、基板表面から内部方向に距離ｘをとり、注入量をＮTDとしたときの打ち込み不純物濃度分布を表している。ただし、ＲP は投影飛程、ΔＲP 投影分散を表す。
【００３９】
【数３】
0003854362.tif 000003
【００４０】
式（３）は、酸化膜を通してのイオン注入に適用し、酸化膜厚ｔoxより深い領域に分布する不純物量がＳｉ基板中に注入される不純物量ＮNDに相当し、注入量ＮTDに対する割合がイオン到達率γとなる。
【００４１】
半導体基板サンプル１および２のサーマルウエーブのウエハー面内分布は、それぞれ図２および図３のようになった。ただし、サーマルウエーブの面内分布は等高線で表してある。ビーム走査方向のみのサーマルウエーブ値差をラジアル・ドーズ・ディストリビューションとしてスキャン・ユニフォミティー・アップグレード法によりウエハー面内のイオン注入の均一化を行ったときのサーマルウエーブのウエハー面内分布は、図１のようになった。これは、２価イオンと１価イオンとの混合によるウエハー面内分布であるが、本発明によりシリコン基板表面層に分布する１価イオンの面内分布が均一化されるので、トランジスタのしきい値電圧の面内ばらつきを最小限に押さえることができた。図４に、ビーム走査方向（オリエンテーションフラット〜トップ方向）におけるウエハー面内分布を図１、図２、図３の場合について比較して示した。図４から明らかなように、図１の面内分布を用いて２価イオンの注入を行うと、製品上のしきい値電圧のウエハー面内ばらつきを１０％から５％に低減することができた。
【００４２】
（実施例２）
実施例１において、絶縁膜をシリコン酸化膜からシリコン窒化膜に代え、シリコン窒化膜の膜厚をサンプル１においては０．０２３μｍと、サンプル２においては０．３μｍとし、かつ絶縁膜の形成を熱酸化法からＣＶＤ法に代えた以外は、実施例１と同様にして、サンプル１および２を作製した。これらのサンプルを用いて、実施例１と同様にして、ウエハー面内の均一化を行ったところ、図１と同様のウエハー面内分布を得ることができた。このウエハー面内分布を用いることにより、しきい値電圧のウエハー面内ばらつきを１０％から５％に低減することができた。
【００４３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、多価イオンとその解離イオンとの挙動を分けて定量化することができるので、多価イオンの注入の際、各価数のイオン注入量の管理が容易となった。また、２価イオン注入の際、混在する１価イオンを定量化することにより、トランジスタの最も基本的なパラメーターであるしきい値電圧のウエハー面内ばらつきを低減することができ、それに関わるトランジスタ性能をウエハー面内で良好にすることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるウエハー面内分布を示す特性図である。
【図２】サンプル１によるウエハー面内分布を示す特性図である。
【図３】サンプル２によるウエハー面内分布を示す特性図である。
【図４】ビーム操作方向におけるウエハー面内分布を示すグラフである。
【図５】スキャン・ユニフォミティー・アップグレード法のフロー図である。
【図６】酸化膜を通してイオン注入を行ったときのイオン到達率と投影飛程から界面までの距離との関係を示した図である。
【符号の説明】
Ｓ１  ステップ１
Ｓ２  ステップ２
Ｓ３  ステップ３
Ｓ４  ステップ４
Ｓ５  ステップ５
Ｓ６  ステップ６
【図１】
0003854362.tif 000004
【図２】
0003854362.tif 000005
【図３】
0003854362.tif 000006
【図４】
0003854362.tif 000007
【図５】
0003854362.tif 000008
【図６】
0003854362.tif 000009