JP5311112B2

JP5311112B2 - イオン注入方法およびイオン注入装置

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Publication number: JP5311112B2
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Authority: JP
Inventors: 雅泰日野
Original assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
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Priority date: 2008-11-12
Filing date: 2008-11-12
Publication date: 2013-10-09
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Description

この発明は、基板（例えば半導体基板）の面内に、円形状注入領域と、それを囲んでいて当該円形状注入領域とはドーズ量の異なる外周部注入領域とを形成するイオン注入方法および装置に関する。

近年、ＬＳＩ、メモリー等の半導体デバイス製造における処理工程が複雑化し、かつ半導体基板が大型化して非常に高価になっており、半導体デバイス製造の歩留まり向上が非常に重要になっている。即ち、一つの基板をできる限り有効に活用することが非常に重要になっている。これを実現するために、半導体デバイスを製造する複数の工程の内のイオン注入工程において、イオン注入によるドーズ量分布を、基板の面内で意図的に不均一にすることによって、基板の面内に形成される半導体デバイスの内の特定領域の半導体デバイスの特性補正を行うことへの強い要望がある。

例えば、半導体デバイスの製造では、イオン注入の前工程（例えば真空蒸着、ＣＶＤ等による薄膜形成工程、エッチング工程等）において、処理の面内均一性を高めるために、多くの場合、基板を回転させて処理を行っている。しかしそれでも処理を完全に均一にできるものではなく、基板の面内に形成される半導体デバイスの特性のばらつきは、円形状領域とそれを囲む外周部領域との間でばらつきが生じやすいという傾向がある。

より具体例を挙げると、半導体基板上に多数の電界効果トランジスタを形成する製造工程において、イオン注入の前工程で基板上に形成したゲート酸化膜の厚さが、基板の面内において、円形状領域とそれを囲む外周部領域との間でばらつきやすいという傾向があり、それを放置すると電界効果トランジスタの特性にばらつきが生じて歩留まりが低下する。

従って、イオン注入工程において、基板の面内に、円形状注入領域と、それを囲んでいて当該円形状注入領域とはドーズ量の異なる外周部注入領域とを形成可能にすることは重要である。このようにドーズ量分布を変えることによって、上述した基板の面内における円形状領域と外周部領域との間での半導体デバイス（例えば電界効果トランジスタ）の特性のばらつきを補正して、歩留まりを向上させることが可能になる。

上記のようなイオン注入を行うことのできる方法の一つとして、図２２を参照して、イオンビーム４ｃを電界または磁界によってＸ方向に往復走査することと、基板２をＸ方向と交差するＹ方向に機械的に駆動することとを併用して基板２にイオン注入を行う際に、イオンビーム４ｃが基板２に入射している状態において、イオンビーム４ｃの走査速度または基板２の駆動速度をステップ状に変化させることと、基板２をその中心部２ａを中心にして例えば矢印Ｊで示す方向に３６０／ｎ度（ｎは注入工程の回数）ずつステップ回転させることとを併用して、基板２の面内に、円形状注入領域と、それを囲んでいて当該円形状注入領域とはドーズ量の異なる外周部注入領域とを形成するイオン注入方法が既に提案されている（例えば特許第４１５５３２７号公報参照）。このように基板２のステップ回転を用いるイオン注入を、ステップ回転注入と呼ぶことにする。

上記従来のイオン注入方法によれば、例えば、第１回目の注入工程後に図２３（Ａ）に示すような三つの注入領域Ａ、Ｂ、Ａを形成し、第８回目（ｎ＝８の場合）の注入工程後に同図（Ｂ）に示すような複数の注入領域Ｃ〜Ｆを形成することができる。中央の注入領域Ｃが円形状注入領域であり、それを囲む注入領域Ｄ〜Ｆが外周部注入領域である。

１回の注入工程によるドーズ量をｄ₁、ｄ₂とすると、上記各注入領域Ａ〜Ｆのドーズ量は、計算上は次のようになる。

注入領域Ａ：ドーズ量ｄ₁
注入領域Ｂ：ドーズ量ｄ₂
注入領域Ｃ：ドーズ量８ｄ₂
注入領域Ｄ：ドーズ量２ｄ₁＋６ｄ₂
注入領域Ｅ：ドーズ量４ｄ₁＋４ｄ₂
注入領域Ｆ：ドーズ量６ｄ₁＋２ｄ₂

特許第４１５５３２７号公報（段落０００９−００１４、図２、図１２）

上記従来のイオン注入方法は、円形状注入領域を形成するために、基板のステップ回転を必ず用いなければならないので、ステップ回転注入を行ってはいけない注入工程に適用することができないという課題がある。

例えば、図２４に示す例のように、基板２の表面に立てた垂線３とイオンビーム４ｃとが成す角度であるチルト角（これは注入角度とも呼ばれる。以下同様）φを０度よりも大きくしてイオン注入を行うときに、ステップ回転注入を行ってはいけない場合がある。

これは、上記のようなチルト角φの場合に、基板２のステップ回転を用いてイオン注入を行うと、基板２上のある領域に着目すると、当該領域に入射するイオンビーム４ｃの方向が、基板２のステップ回転の度に変わってしまうからである。イオンビーム４ｃの入射方向が変ると、注入特性が変わって基板２に所望の注入処理を施せなくなる等の不都合が発生する。

より具体例を挙げると、例えば図２５に示す例のように、半導体基板２上に、ゲート電極５２、ゲート酸化膜５４、ソース（またはドレイン）５６、エクステンション５８（これはソースまたはドレインとチャネルとの電気的接続部である）等から成る電界効果トランジスタ（図２５では１個のみ示しているが、通常は複数個形成する。図２１においても同様）を形成する製造工程において、エクステンション５８の部分に、イオンビーム４の照射によってドーパントを注入することが行われる。この場合は、ゲート酸化膜５４の下側にもドーパントを注入する必要があるために、比較的大きなチルト角φでイオン注入を行う。

上記のようなチルト角φが付いた状態で、上述したように基板２のステップ回転を用いてイオン注入を行うと、図２５（Ａ）に示すように、エクステンション５８に入射するイオンビーム４ｃの方向が、基板２のステップ回転の度に変わってしまう。その結果、例えば、エクステンション５８におけるシリコンの結晶格子とイオンビーム４との相対角度が基板２のステップ回転の度に変るので、エクステンション５８に注入されるドーパントの深さや、エクステンション５８の部分の表面欠陥の状態等が、基板２のステップ回転の度に変化してしまい、所望のデバイス特性を得ることができなくなる。

また、上記従来のイオン注入方法では、ステップ回転注入を用いるために、図２３（Ｂ）およびその上記説明からも分かるように、基板２の中心部２ａを中心にした回転対称のドーズ量分布しか形成することができない。更に、厳密に見ると外周部の各注入領域Ｄ〜Ｆのドーズ量が互いに少しずつ異なる。

そこでこの発明は、基板のステップ回転を用いることなく、基板の面内に、円形状注入領域と、それを囲んでいて当該円形状注入領域とはドーズ量の異なる外周部注入領域とを形成することができるイオン注入方法および装置を提供することを主たる目的としている。

この発明に係るイオン注入方法は、イオンビームを第１の方向に往復走査することと、基板を前記第１の方向と交差する第２の方向に機械的に駆動すると共に当該基板の駆動速度を、イオンビームが基板に入射する領域内でイオンビームのビーム電流密度に正比例させることとを併用して、前記基板にイオン注入を行うイオン注入方法において、前記基板の面内における前記イオンビームの走査速度を可変にして、かつ前記基板の表面に立てた垂線と前記イオンビームとが成す角度であるチルト角を０度よりも大きくした状態で、前記基板の面内における前記イオンビームの１片道走査または１往復走査ごとの前記第１の方向における走査速度分布であって当該イオンビームの走査速度が部分的に変化しているものを含む走査速度分布を、前記基板の前記第２の方向の位置に応じて変化させることによって、前記基板を回転させることなく、前記基板の面内に、円形状注入領域と、それを囲んでいて当該円形状注入領域とはドーズ量の異なる外周部注入領域とを形成することを特徴としており、しかも前記第２の方向は前記第１の方向と実質的に直交する方向であり、かつ、前記チルト角をφとし、前記基板の表面に平行な面内での前記イオンビームに対する前記基板の相対的な所望の移動距離をＬ _R とすると、前記第２の方向における前記基板の移動距離Ｌ _Y を、次式またはそれと数学的に等価の式を満たすものにすることを特徴としている。
Ｌ _Y ＝Ｌ _R ・ｃｏｓφ

この発明に係るイオン注入装置は、イオンビームを第１の方向に往復走査することと、基板を前記第１の方向と交差する第２の方向に機械的に駆動すると共に当該基板の駆動速度を、イオンビームが基板に入射する領域内でイオンビームのビーム電流密度に正比例させることとを併用して、前記基板にイオン注入を行うイオン注入装置において、前記イオンビームを電界または磁界によって前記第１の方向に往復走査するものであって、前記基板の面内における前記イオンビームの走査速度が可変のビーム走査装置と、前記基板を前記第２の方向に機械的に駆動する基板駆動装置と、前記基板の前記第２の方向の位置を検出して当該位置を表す位置情報を出力する基板位置検出器と、前記基板の傾きを変えて、前記基板の表面に立てた垂線と前記イオンビームとが成す角度であるチルト角を、イオン注入を行う時に０度よりも大きくするチルト角可変装置と、前記基板位置検出器からの前記位置情報に基づいて前記ビーム走査装置を制御して、前記基板の面内における前記イオンビームの１片道走査または１往復走査ごとの前記第１の方向における走査速度分布であって当該イオンビームの走査速度が部分的に変化しているものを含む走査速度分布を、前記基板の前記第２の方向の位置に応じて変化させることによって、前記基板を回転させることなく、前記基板の面内に、円形状注入領域と、それを囲んでいて当該円形状注入領域とはドーズ量の異なる外周部注入領域とを形成する制御を行う制御装置とを備えており、しかも前記第２の方向は前記第１の方向と実質的に直交する方向であり、かつ、前記チルト角をφとし、前記基板の表面に平行な面内での前記イオンビームに対する前記基板の相対的な所望の移動距離をＬ _R とすると、前記制御装置は、前記第２の方向における前記基板の移動距離Ｌ _Y を、次式またはそれと数学的に等価の式を満たすものに制御する機能を更に有していることを特徴としている。
Ｌ _Y ＝Ｌ _R ・ｃｏｓφ

前記円形状注入領域のドーズ量分布を、例えば、徐々に盛り上がった分布、徐々に窪んだ分布、一様に盛り上がった分布または一様に窪んだ分布にしても良い。

この発明によれば、基板の面内におけるイオンビームの１片道走査または１往復走査ごとの前記第１の方向における走査速度分布を、基板の前記第２の方向の位置に応じて変化させることによって、基板の面内に円形状注入領域とそれを囲んでいて当該円形状注入領域とはドーズ量の異なる外周部注入領域とを形成するので、基板のステップ回転を用いることなく、基板の面内に互いにドーズ量の異なる円形状注入領域および外周部注入領域を形成することができる。

その結果、この発明を、ステップ回転注入を行ってはいけない注入工程にも適用することができる。例えば、基板の面内に形成される半導体デバイスの内の特定領域の半導体デバイスの特性補正を、基板のステップ回転を用いることなく実施することができる。

また、基板のステップ回転を用いることなく、基板の面内に互いにドーズ量の異なる円形状注入領域および外周部注入領域を形成することができるので、基板のステップ回転を用いる場合と違って、回転対称以外のドーズ量分布を形成することができ、自由度の高いドーズ量分布を形成することができる。更に、外周部注入領域のドーズ量分布の均一性を良くすることも可能である。
更に、基板の駆動速度を、イオンビームが基板に入射する領域内で、イオンビームのビーム電流密度に正比例させるので、基板へのイオン注入中に仮にイオンビームのビーム電流密度が変化しても、この変化を駆動速度で補償して、基板に対するドーズ量に変化が生じるのを防止することができる。即ち、基板に対して安定したドーズ量でイオン注入を行うことができる。

更に、０度よりも大きいチルト角でのイオン注入によって、前記円形状注入領域および外周部注入領域を形成することができ、しかもその場合でも、基板のステップ回転を用いる場合と違って、基板に入射するイオンビームの方向が変らないので、イオンビームの入射方向が変ることによって注入特性が変る等の不都合発生を防止することができる。
更に、基板を駆動する前記第２の方向が、イオンビームを走査する前記第１の方向と実質的に直交する方向である場合に、前記チルト角を０度よりも大きくしても、チルト角の大小の影響を受けなくなる。

図１は、この発明に係るイオン注入方法を実施するイオン注入装置の一実施形態を示す概略平面図である。図２は、図１のイオン注入装置の基板付近の一例を拡大して示す概略側面図である。

イオンビーム４の進行方向を常にＺ方向とし、このＺ方向と実質的に直交する面内において互いに実質的に直交する２方向をＸ方向およびＹ方向とすると、以下に述べる実施形態においては、一例として、イオンビーム４を往復走査する前記第１の方向をＸ方向とし、基板２を駆動する前記第２の方向をＹ方向としている。Ｘ方向およびＺ方向は例えば水平方向、Ｙ方向は例えば垂直方向である。但しこれに限られるものではなく、例えば、基板２の表面に実質的に平行な方向を、基板２を駆動する前記第２の方向としても良い。

このイオン注入装置は、ハイブリッドスキャン方式と呼ばれるものであり、イオンビーム４を電界または磁界によってＸ方向に往復走査することと、基板（例えば半導体基板）２をＸ方向と交差するＹ方向に機械的に駆動することとを併用して、基板２の全面にイオン注入を行う構成をしている。

このイオン注入装置は、より具体的には、イオンビーム４を引き出すイオン源１０と、このイオン源１０から引き出されたイオンビーム４から特定のイオン種を選別して導出する質量分離マグネット１２と、この質量分離マグネット１２から導出されたイオンビーム４を加速または減速する加減速管１４と、この加減速管１４から導出されたイオンビーム４を整形するＱレンズ１６と、このＱレンズ１６から導出されたイオンビーム４から特定エネルギーのイオンを選別して導出するエネルギー分離器１８と、このエネルギー分離器１８から導出されたイオンビーム４を電界または磁界によってＸ方向に往復走査する走査器２０と、この走査器２０から導出されたイオンビーム４を電界または磁界によって曲げて走査器２０と協働してイオンビーム４の平行走査を行って、Ｘ方向において平行走査されたイオンビーム４を作るビーム平行化器２４とを備えている。

ビーム平行化器２４から導出されたイオンビーム４は、注入室２６内において、ホルダ２８に保持されている基板２に照射され、それによって基板２にイオン注入が行われる。その際、基板２は、基板駆動装置置３２によってＹ方向に駆動される。この駆動は、通常は往復駆動であるが、必要とするドーズ量等によっては、往復駆動と１片道駆動とで終る場合もある。この基板２の駆動とイオンビーム４の往復走査との協働によって、基板２の全面にイオン注入を行うことができる。

基板駆動装置３２は、この実施形態では、ホルダ２８上の基板２の前記第２の方向の位置、即ちこの実施形態ではＹ方向の位置ｙ（これは例えば、図２等に示す例のように基板２の中心部２ａの位置でも良いし、その他の位置でも良い）を検出して当該位置を表す位置情報ＰＤを出力する基板位置検出器３３を有している。

基板位置検出器３３は、例えば、基板駆動装置３２による基板２の上記駆動に応答するエンコーダまたはポテンショメータであるが、それ以外のものでも良い。また、この基板位置検出器３３を基板駆動装置３２とは別に設けても良い。

基板２のＹ方向の駆動速度ｖｙは、前記特許文献１にも記載されているように、イオンビーム４が基板２に入射する領域内で、イオンビーム４のビーム電流密度に正比例するように制御するのが好ましい。そのようにすると、基板２へのイオン注入中に仮にイオンビーム４のビーム電流密度が変化しても、この変化を駆動速度ｖｙで補償して、基板２に対するドーズ量に変化が生じるのを防止することができる。即ち、基板２に対して安定したドーズ量でイオン注入を行うことができる。

このイオン注入装置は、更に、図２に示すように、例えばホルダ２８上の基板２の表面の中心部２ａを中心にして、基板２およびホルダ２８を矢印Ｋで示すように回転させてそれら２、２８の傾きを変えて、基板２の表面に立てた垂線３とイオンビーム４とが成す角度であるチルト角φを変えるチルト角可変装置３４を備えている。これによって、チルト角φを０度または０度よりも大きくして、イオン注入を行うことができる。チルト角可変装置３４は、例えばモータである。基板駆動装置３２は、このチルト角可変装置３４、ホルダ２８および基板２の全体をＹ方向に駆動する。

イオンビーム４のＸ方向の走査は、走査電源２２から走査器２０に供給される走査出力Ｐ（ｔ）によって制御される。（ｔ）は、時間ｔの関数であることを表している。走査出力Ｐ（ｔ）は、例えば、走査器２０が電界によってイオンビーム４を走査するものである場合は走査電圧、磁界によって走査するものである場合は走査電流である。この走査電源２２および走査器２０は、またはそれら２０、２２およびビーム平行化器２４は、イオンビーム４をＸ方向に往復走査するビーム走査装置を構成している。このビーム走査装置は、より具体的にはその走査電源２２は、後述する制御装置３６によって制御されて、基板２の面内におけるイオンビーム４の走査速度ｖｘを後述するように変化させることができる。

ホルダ２８の上流側には、Ｘ方向に長いスリット状の開口４２を有していて、イオンビームを整形するマスク４０が必要に応じて設けられる。

ホルダ２８の上流側および下流側には、イオンビーム４を受けてそのＸ方向のビーム電流密度分布を測定して、走査出力Ｐ（ｔ）の波形調整等に用いられる前段多点ファラデー３８および後段多点ファラデー３９が設けられている。両多点ファラデー３８、３９は、複数のファラデーカップをＸ方向に並べたものである。後段多点ファラデー３９はイオンビーム４のビームライン上に固定されている。前段多点ファラデー３８およびホルダ２８は、例えばＹ方向に駆動されて、必要なときにのみイオンビーム４のビームライン上に置かれる。なお、これと同様の多点ファラデーは、例えば特開２００１−１４３６５１号公報にも記載されている。

両多点ファラデー３８、３９による測定情報および上記基板位置検出器３３からの位置情報ＰＤは、制御装置３６に与えられる。制御装置３６には、この実施形態では更に、基板２の面内に形成する所望のドーズ量分布を、より具体的には後述する円形状注入領域４４および外周部注入領域４６のドーズ量分布を含む所望のドーズ量分布を設定するドーズ量分布設定情報ＤＤ等が与えられる。制御装置３６は、これらの情報等に基づいて、（ａ）上記ビーム走査装置を制御して（具体的にはこの実施形態では上述したように走査電源２２を制御して。以下同様）、基板２の面内におけるイオンビーム４のＸ方向の走査速度ｖｘを後述するように制御する機能、（ｂ）チルト角可変装置３４を制御して所定のチルト角φに設定する機能、（ｃ）基板駆動装置３２を制御して、当該基板駆動装置３２による基板２等のＹ方向の駆動を制御すると共に、ホルダ２８上の基板２のＹ方向の駆動速度ｖｙを上述したようにイオンビーム４のビーム電流密度に正比例させる制御を行う機能、等の機能を有している。

上記のようなイオン注入装置において、基板２の面内に、円形状注入領域と、それを囲んでいて当該円形状注入領域とはドーズ量の異なる外周部注入領域とを形成するイオン注入方法の例を幾つか説明する。

図３に、基板２の面内に形成するドーズ量分布の一例を示す。基板２の面内に、円形状注入領域４４と、それを囲んでいて円形状注入領域４４とはドーズ量の異なる外周部注入領域４６とを形成する。円形状注入領域４４は、この例では、徐々に山形に盛り上がったドーズ量分布をしている。より具体的には、複数の同心円状に盛り上がったドーズ量分布をしている。外周部注入領域４６は、この例では平坦なドーズ量分布をしている。このようなドーズ量分布は、例えば上述したドーズ量分布設定情報ＤＤとして制御装置３６に与えられる（図１１等に示す他のドーズ量分布の場合も同様）。

なお、以下の図においては、基板２を回転させていないことを示すために、基板２のノッチ（切り欠き）２ｂを示しているが、このノッチ２ｂの位置は図示例の位置に限られるものではない。

図３に示すドーズ量分布を形成する場合の、イオンビーム４の１片道走査のＸ方向における走査速度ｖｘの分布（即ち走査速度分布）の例を図４〜図１０に示す。これらの図は、ドーズ量分布形成動作を理解しやすくするために、基板２を正面に見て示している。これらの図は一連の図であり、イオンビーム４のＹ方向の位置は変らず、基板２がＹ方向に駆動されてその位置ｙが後になるほど上へ上がっている。図４よりも前および図１０よりも後の工程は、イオンビーム４の走査速度分布は平坦であるので、図示を省略している。これらのことは、後述する図１２〜図１８についても同様である。

走査の元になるイオンビーム４は、所定の断面形状（この断面形状は、図４等においては図示の簡略化のために円形で示しているが、円形に限定されない）および所定の断面寸法を有しており、これが前述したように走査速度ｖｘでＸ方向に走査される。その１片道走査の軌跡を符号４ａで示す（図１２〜図１８においても同様）。

前述したように基板２の面内におけるイオンビーム４の走査速度ｖｘは可変であり、このイオンビーム４の、基板２の面内における走査速度分布を、図４〜図１０に示す例のように、基板２のＹ方向の位置ｙに応じて順次（次々と）変化させることによって、基板２の面内に上記円形状注入領域４４および外周部注入領域４６を形成する。即ち、イオンビーム４の走査速度ｖｘをＸ方向の位置ｘによって変化させるだけでなく、そのような変化を含んで成るイオンビーム４のＸ方向における走査速度分布を、基板２のＹ方向の位置ｙに応じて次々と変化させる。

より具体的には、図４〜図８に示す例のように、上記円形状注入領域４４を形成するときのイオンビーム４の走査速度分布を凹状にして、かつ当該凹状部の幅Ｗおよび深さＰを基板２のＹ方向の位置ｙに応じて変化させる。これによって、上述した円形状注入領域４４を形成することができる。これは、基板２に対するドーズ量は、イオンビーム４のビーム電流密度を一定とすると、イオンビーム４の走査速度ｖｘに反比例するからである。即ち、イオンビーム４の走査速度ｖｘとドーズ量とは反対の関係にあり、走査速度ｖｘが大きい領域ではドーズ量は小さくなり、走査速度ｖｘが小さい領域ではドーズ量は大きくなるからである。

イオンビーム４の走査速度分布の上記凹状部の位置、幅Ｗおよび深さＰをどのようにするかは、形成しようとする円形状注入領域４４の位置、大きさおよびそのドーズ量分布に応じて決めれば良い。

イオンビーム４が円形状注入領域４４を通らなくなった後は、イオンビーム４の走査速度分布は例えば平坦にすれば良い（図９〜図１０参照）。

より具体的には、基板２の面内の所望のドーズ量分布を、基板２の面内におけるイオンビーム４の軌跡４ａに相当する寸法で複数にスライスしたときのＸ方向の各ドーズ量分布を、基板２のＹ方向の各位置ｙについてそれぞれ決めて、その決めたドーズ量分布をそれに対応する位置ｙで実現するように、イオンビーム４の走査速度分布を、基板２のＹ方向の位置ｙに応じて変化させれば良い。

イオンビーム４の走査速度ｖｘは、前述した走査出力Ｐ（ｔ）の時間変化率ｄＰ（ｔ）／ｄｔに比例するので、イオンビーム４の走査速度分布を上記のように変化させるには、具体的には、上記走査出力Ｐ（ｔ）の波形を調整すれば良い。

例えば、図４〜図８に示すような凹状の走査速度分布を実現するには、例えば図１９に示す例のように（これは波形を分かりやすくするために誇張して図示している。後述する図２０も同様）、上記走査出力Ｐ（ｔ）の波形５０を、イオンビーム４の走査速度分布の凹状部に対応する位置で、Ｓ字状に整形してその傾き（即ちｄＰ（ｔ）／ｄｔ）を徐々に変えれば良い。即ち当該傾きを、徐々に小さくした後に元に戻せば良い。これは、元になる三角波形４８を上記のように整形することによって実現することができる。この走査出力Ｐ（ｔ）の波形整形は、例えば、前述した多点ファラデー３８および３９からの測定情報を用いて、制御装置３６による制御によって行うことができる。

上記例とは反対に、イオンビーム４の走査速度分布を後述するように凸状にするには、上記波形５０のＳ字状の部分の傾きを、図１９に示す例とは反対にすれば良い。即ち当該傾きを、徐々に大きくした後に元に戻せば良い。

走査出力Ｐ（ｔ）が三角波形４８の場合は、その傾きは一定であるので、走査速度ｖｘは一定となり、走査速度分布は平坦になる。

なお、基板２の駆動速度ｖｙに比べれば、イオンビーム４の走査速度ｖｘは遥かに大きいので、イオンビーム４が基板２の面内を１片道走査または１往復走査している間のイオンビーム４のビーム電流密度は、一定と考えても妥当である。また、同じ理由から、イオンビーム４が基板２の面内を１片道走査または１往復走査している間の基板２のＹ方向の移動距離は非常に小さいので、それが所望のドーズ量分布を形成することに及ぼす影響は特に考慮しなくても構わない。

例えば、上記イオンビーム４の走査速度ｖｘと基板２の駆動速度ｖｙとの大きさの違いを周波数で言えば、基板２の直径が３００ｍｍの場合を一例に挙げると、基板２のＹ方向の駆動サイクルは最大で２秒間に１回程度（周波数で言えば最大で０．５Ｈｚ程度）であるのに対して、イオンビーム４のＸ方向の走査周波数は１７３Ｈｚであり遥かに（数百倍）大きい。イオンビーム４の走査距離と基板２の駆動距離とはおおよそ同程度であるので、上記周波数の差がほぼ速度の差である。

上記のように基板２の駆動速度ｖｙに比べてイオンビーム４の走査速度ｖｘの方が遥かに大きいので、上記１片道走査ごとの走査速度分布の代わりに、基板２の面内におけるイオンビーム４の１往復走査ごとの走査速度分布を、基板２のＹ方向の位置ｙに応じて変化させるようにしても良い。そのようにしても、簡単に言えば、基板２の面内におけるドーズ量の変化のきめ細かさが若干粗くなるだけである。

基板２をＹ方向に１往復以上（往復と１片道の場合を含む）駆動することによって所望のドーズ量分布を実現しても良い。その場合は、図４〜図１０を参照して説明した動作を必要回数だけ繰り返せば良い。この場合、基板２の同じ位置ｙでは、イオンビーム４の同じ走査速度分布を用いれば良い。

上記円形状注入領域４４の形状、その基板２の面内での位置、そのドーズ量分布および外周部注入領域４６のドーズ量分布は、あくまでも一例であってそれに限られるものではなく、要は所望のものに定めれば良い。例えば、前述したように基板２の面内に形成される半導体デバイスの内の特定領域の半導体デバイスの特性補正をイオン注入によって行う等の観点に従って所望のものに定めれば良い。

例えば、上記円形状注入領域４４を形成するときのイオンビーム４の走査速度分布を図４〜図８に示した例とは反対の凸状にして、かつ当該凸状部の幅および高さを基板２のＹ方向の位置ｙに応じて変化させて、円形状注入領域４４のドーズ量分布を徐々にすり鉢状に窪んだドーズ量分布にしても良い。

円形状注入領域４４のドーズ量分布は、図３〜図１０に示した例では複数の同心円状であるが、複数の偏心円状でも良い。ドーズ量が滑らかに変化しているものでも良い。

また、円形状注入領域４４は、必ずしも真円でなくても良く、真円から外れた円形、例えば楕円形等でも良い。これら全てを含む広義で、この明細書では円形状注入領域と呼んでいる。

図１１に、基板２の面内に形成するドーズ量分布の他の例を示す。上記例と同一または相当する部分には同一符号を付しており、以下においては上記例との相違点を主体に説明する。円形状注入領域４４は、この例では、円柱のように一様に盛り上がったドーズ量分布をしている。

図１１に示すドーズ量分布を形成する場合の、イオンビーム４の１片道走査の走査速度ｖｘの分布（即ち走査速度分布）の例を図１２〜図１８に示す。この例の場合も、基板２の面内におけるイオンビーム４の走査速度分布を、基板２のＹ方向の位置ｙに応じて次々と変化させることによって、基板２の面内に上記円形状注入領域４４および外周部注入領域４６を形成する。

より具体的には、図１３〜図１７に示す例のように、上記円形状注入領域４４を形成するときのイオンビーム４の走査速度分布を凹状にして、かつ当該凹状部の深さＰを一定に保ちつつその幅Ｗを基板２のＹ方向の位置ｙに応じて変化させる。これによって、上述した円形状注入領域４４を形成することができる。

図１３〜図１７に示すような凹状の走査速度分布を実現するには、例えば図２０に示す例のように、走査出力Ｐ（ｔ）の波形５０の傾きを、イオンビーム４の走査速度分布の凹状部に対応する位置で変えれば良い。具体的には当該傾きを一定の傾きで小さくすれば良い。これは、元になる三角波形４８を上記のように整形することによって実現することができる。

上記例とは反対に、上記円形状注入領域４４を形成するときのイオンビーム４の走査速度分布を凸状にして、かつ当該凸状部の高さを一定に保ちつつその幅を基板２のＹ方向の位置ｙに応じて変化させて、円形状注入領域４４のドーズ量分布を一様に窪んだドーズ量分布にしても良い。この場合は、図２０に示した例とは反対に、上記走査出力Ｐ（ｔ）の波形の傾きを、イオンビーム４の走査速度分布の凸状部に対応する位置で、一定の傾きで大きくすれば良い。

上記制御装置３６は、上記基板位置検出器３３からの基板２の位置情報ＰＤに基づいて上記ビーム走査装置を制御して、具体的にはこの実施形態では走査電源２２を制御して、基板２の面内におけるイオンビーム４の１片道走査または１往復走査ごとのＸ方向における走査速度分布を、基板２のＹ方向の位置ｙに応じて変化させることによって、基板２の面内に、上記各例に示したような円形状注入領域４４および外周部注入領域４６を形成する制御を行うことができる。具体的には、走査電源２２から出力する上記走査出力Ｐ（ｔ）の波形を上述したように整形する制御を行うことができる。

以上のようにこの発明に係るイオン注入方法またはイオン注入装置によれば、基板２のステップ回転を用いることなく、基板２の面内に互いにドーズ量の異なる円形状注入領域４４および外周部注入領域４６を形成することができる。

その結果、この発明に係るイオン注入方法またはイオン注入装置を、ステップ回転注入を行ってはいけない注入工程にも適用することができる。例えば、基板２の面内に形成される半導体デバイスの内の特定領域の半導体デバイスの特性補正を、基板２のステップ回転を用いることなく実施することができる。

また、基板２のステップ回転を用いることなく、基板２の面内に互いにドーズ量の異なる円形状注入領域４４および外周部注入領域４６を形成することができるので、基板２のステップ回転を用いる場合と違って、回転対称以外のドーズ量分布を形成することができ、また円形状注入領域４４の中心を基板２の中心部２ａからずらすこともできるので、自由度の高いドーズ量分布を形成することができる。更に、外周部注入領域４６のドーズ量分布を一様にしてその均一性を良くすることも可能である。

また、上記チルト角可変装置３４によってチルト角φを０度よりも大きくした状態で、上記円形状注入領域４４および外周部注入領域４６を形成することができる。しかもその場合でも、基板２のステップ回転を用いる場合と違って、基板２に入射するイオンビーム４の方向が変らないので、イオンビーム４の入射方向が変ることによって注入特性が変る等の不都合発生を防止することができる。

これを、図２５に示した例と同様に、基板２上に多数の電界効果トランジスタを形成する製造工程において、そのエクステンション５８にイオンビーム４を照射してイオン注入を行う場合の例を示す図２１を用いて説明する。図２５と同一または相当する部分には同一符号を付して、それとの相違点のみを説明する。

この発明に係るイオン注入方法またはイオン注入装置では、基板２のステップ回転を用いないので、チルト角φを０度よりも大きくても、しかもそれを幾ら大きくしても、図２１（Ａ）に示すように、エクステンション５８に入射するイオンビーム４の方向は変らず一定である。従ってエクステンション５８へのイオンビーム４の入射方向が変ることによって前述したような注入特性が変る等の不都合発生を防止することができる。

従って、この発明に係るイオン注入方法またはイオン注入装置は、基板２の面内に上記のような円形状注入領域４４および外周部注入領域４６を形成して半導体デバイスの特性補正等を行うと共に、それを０度よりも大きなチルト角φで行う場合に、より顕著な効果を奏する。

なお、図２に示した実施形態のように、基板２を駆動する方向がイオンビーム４の走査方向Ｘと実質的に直交するＹ方向の場合は、チルト角φを０度よりも大きくすると、基板２のＹ方向のある移動距離Ｌ_Yよりも、それに伴う基板表面内でのイオンビーム４に対する基板２の相対的な移動距離Ｌ_Rの方が次式の関係で大きくなる。従ってこの関係を考慮して、基板２のＹ方向の位置ｙを表す上記位置情報ＰＤを取り扱えば良い。それによって、チルト角φの大小の影響を受けなくなる。基板２の駆動方向を前述したように基板２の表面に実質的に平行な方向に取る場合は、チルト角φの影響を受けないので、このような考慮をする必要はない。

［数１］
Ｌ_R＝Ｌ_Y／ｃｏｓφ

この発明に係るイオン注入方法を実施するイオン注入装置の一実施形態を示す概略平面図である。図１のイオン注入装置の基板付近の一例を拡大して示す概略側面図である。基板の面内に形成するドーズ量分布の一例を示す概略図である。図３に示すドーズ量分布を形成する場合のイオンビームの１片道走査の走査速度分布の一例を示す図であり、図５に続く。図３に示すドーズ量分布を形成する場合のイオンビームの１片道走査の走査速度分布の一例を示す図であり、図６に続く。図３に示すドーズ量分布を形成する場合のイオンビームの１片道走査の走査速度分布の一例を示す図であり、図７に続く。図３に示すドーズ量分布を形成する場合のイオンビームの１片道走査の走査速度分布の一例を示す図であり、図８に続く。図３に示すドーズ量分布を形成する場合のイオンビームの１片道走査の走査速度分布の一例を示す図であり、図９に続く。図３に示すドーズ量分布を形成する場合のイオンビームの１片道走査の走査速度分布の一例を示す図であり、図１０に続く。図３に示すドーズ量分布を形成する場合のイオンビームの１片道走査の走査速度分布の一例を示す図である。基板の面内に形成するドーズ量分布の他の例を示す概略図である。図１１に示すドーズ量分布を形成する場合のイオンビームの１片道走査の走査速度分布の一例を示す図であり、図１３に続く。図１１に示すドーズ量分布を形成する場合のイオンビームの１片道走査の走査速度分布の一例を示す図であり、図１４に続く。図１１に示すドーズ量分布を形成する場合のイオンビームの１片道走査の走査速度分布の一例を示す図であり、図１５に続く。図１１に示すドーズ量分布を形成する場合のイオンビームの１片道走査の走査速度分布の一例を示す図であり、図１６に続く。図１１に示すドーズ量分布を形成する場合のイオンビームの１片道走査の走査速度分布の一例を示す図であり、図１７に続く。図１１に示すドーズ量分布を形成する場合のイオンビームの１片道走査の走査速度分布の一例を示す図であり、図１８に続く。図１１に示すドーズ量分布を形成する場合のイオンビームの１片道走査の走査速度分布の一例を示す図である。図３に示すドーズ量分布を形成する場合のイオンビームの走査に用いる走査出力の一例を示す図である。図１１に示すドーズ量分布を形成する場合のイオンビームの走査に用いる走査出力の一例を示す図である。基板上に電界効果トランジスタを形成する製造工程において、当該電界効果トランジスタのエクステンションにこの発明に係るイオン注入方法によってイオン注入を行う場合の例を拡大して示す概略図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。従来のイオン注入方法の一例を示す概略図である。従来のイオン注入方法によって形成されるドーズ量分布の一例を示す概略図であり、（Ａ）は第１回目の注入工程後のもの、（Ｂ）は第８回目の注入工程後のものを示す。従来のイオン注入方法によってチルト角を０度よりも大きくしてイオン注入を行う場合の一例を示す概略図である。基板上に電界効果トランジスタを形成する製造工程において、当該電界効果トランジスタのエクステンションに従来のイオン注入方法によってイオン注入を行う場合の例を拡大して示す概略図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。

符号の説明

２基板
４イオンビーム
２０走査器
２２走査電源
３２基板駆動装置
３３基板位置検出器
３４チルト角可変装置
３６制御装置
４４円形状注入領域
４６外周部注入領域

Claims

イオンビームを第１の方向に往復走査することと、基板を前記第１の方向と交差する第２の方向に機械的に駆動すると共に当該基板の駆動速度を、イオンビームが基板に入射する領域内でイオンビームのビーム電流密度に正比例させることとを併用して、前記基板にイオン注入を行うイオン注入方法において、
前記基板の面内における前記イオンビームの走査速度を可変にして、
かつ前記基板の表面に立てた垂線と前記イオンビームとが成す角度であるチルト角を０度よりも大きくした状態で、
前記基板の面内における前記イオンビームの１片道走査または１往復走査ごとの前記第１の方向における走査速度分布であって当該イオンビームの走査速度が部分的に変化しているものを含む走査速度分布を、前記基板の前記第２の方向の位置に応じて変化させることによって、前記基板を回転させることなく、前記基板の面内に、円形状注入領域と、それを囲んでいて当該円形状注入領域とはドーズ量の異なる外周部注入領域とを形成することを特徴としており、
しかも前記第２の方向は前記第１の方向と実質的に直交する方向であり、
かつ、前記チルト角をφとし、前記基板の表面に平行な面内での前記イオンビームに対する前記基板の相対的な所望の移動距離をＬ _R とすると、前記第２の方向における前記基板の移動距離Ｌ _Y を、次式またはそれと数学的に等価の式を満たすものにすることを特徴としているイオン注入方法。
Ｌ _Y ＝Ｌ _R ・ｃｏｓφ
前記円形状注入領域を形成するときの前記イオンビームの前記走査速度分布を凹状にして、かつ当該凹状部の幅および深さを前記基板の前記第２の方向の位置に応じて変化させて、前記円形状注入領域のドーズ量分布を徐々に盛り上がったドーズ量分布にする請求項１記載のイオン注入方法。
前記円形状注入領域を形成するときの前記イオンビームの前記走査速度分布を凸状にして、かつ当該凸状部の幅および高さを前記基板の前記第２の方向の位置に応じて変化させて、前記円形状注入領域のドーズ量分布を徐々に窪んだドーズ量分布にする請求項１記載のイオン注入方法。
前記円形状注入領域を形成するときの前記イオンビームの前記走査速度分布を凹状にして、かつ当該凹状部の深さを一定に保ちつつその幅を前記基板の前記第２の方向の位置に応じて変化させて、前記円形状注入領域のドーズ量分布を一様に盛り上がったドーズ量分布にする請求項１記載のイオン注入方法。
前記円形状注入領域を形成するときの前記イオンビームの前記走査速度分布を凸状にして、かつ当該凸状部の高さを一定に保ちつつその幅を前記基板の前記第２の方向の位置に応じて変化させて、前記円形状注入領域のドーズ量分布を一様に窪んだドーズ量分布にする請求項１記載のイオン注入方法。
イオンビームを第１の方向に往復走査することと、基板を前記第１の方向と交差する第２の方向に機械的に駆動すると共に当該基板の駆動速度を、イオンビームが基板に入射する領域内でイオンビームのビーム電流密度に正比例させることとを併用して、前記基板にイオン注入を行うイオン注入装置において、
前記イオンビームを電界または磁界によって前記第１の方向に往復走査するものであって、前記基板の面内における前記イオンビームの走査速度が可変のビーム走査装置と、
前記基板を前記第２の方向に機械的に駆動する基板駆動装置と、
前記基板の前記第２の方向の位置を検出して当該位置を表す位置情報を出力する基板位置検出器と、
前記基板の傾きを変えて、前記基板の表面に立てた垂線と前記イオンビームとが成す角度であるチルト角を、イオン注入を行う時に０度よりも大きくするチルト角可変装置と、
前記基板位置検出器からの前記位置情報に基づいて前記ビーム走査装置を制御して、前記基板の面内における前記イオンビームの１片道走査または１往復走査ごとの前記第１の方向における走査速度分布であって当該イオンビームの走査速度が部分的に変化しているものを含む走査速度分布を、前記基板の前記第２の方向の位置に応じて変化させることによって、前記基板を回転させることなく、前記基板の面内に、円形状注入領域と、それを囲んでいて当該円形状注入領域とはドーズ量の異なる外周部注入領域とを形成する制御を行う制御装置とを備えており、
しかも前記第２の方向は前記第１の方向と実質的に直交する方向であり、
かつ、前記チルト角をφとし、前記基板の表面に平行な面内での前記イオンビームに対する前記基板の相対的な所望の移動距離をＬ _R とすると、前記制御装置は、前記第２の方向における前記基板の移動距離Ｌ _Y を、次式またはそれと数学的に等価の式を満たすものに制御する機能を更に有していることを特徴とするイオン注入装置。
Ｌ _Y ＝Ｌ _R ・ｃｏｓφ
前記制御装置は、前記円形状注入領域を形成するときの前記イオンビームの前記走査速度分布を凹状にして、かつ当該凹状部の幅および深さを前記基板の前記第２の方向の位置に応じて変化させて、前記円形状注入領域のドーズ量分布を徐々に盛り上がったドーズ量分布にする制御を行う請求項６記載のイオン注入装置。
前記制御装置は、前記円形状注入領域を形成するときの前記イオンビームの前記走査速度分布を凸状にして、かつ当該凸状部の幅および高さを前記基板の前記第２の方向の位置に応じて変化させて、前記円形状注入領域のドーズ量分布を徐々に窪んだドーズ量分布にする制御を行う請求項６記載のイオン注入装置。
前記制御装置は、前記円形状注入領域を形成するときの前記イオンビームの前記走査速度分布を凹状にして、かつ当該凹状部の深さを一定に保ちつつその幅を前記基板の前記第２の方向の位置に応じて変化させて、前記円形状注入領域のドーズ量分布を一様に盛り上がったドーズ量分布にする制御を行う請求項６記載のイオン注入装置。
前記制御装置は、前記円形状注入領域を形成するときの前記イオンビームの前記走査速度分布を凸状にして、かつ当該凸状部の高さを一定に保ちつつその幅を前記基板の前記第２の方向の位置に応じて変化させて、前記円形状注入領域のドーズ量分布を一様に窪んだドーズ量分布にする制御を行う請求項６記載のイオン注入装置。