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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-30
(45)【発行日】2024-08-07
(54)【発明の名称】イオン注入方法
(51)【国際特許分類】
H01L 21/265 20060101AFI20240731BHJP
H01J 37/317 20060101ALI20240731BHJP
【ＦＩ】
H01L21/265 U
H01L21/265 F
H01L21/265 603C
H01L21/265 603D
H01J37/317 B
【請求項の数】
12
(21)【出願番号】P 2018135346
(22)【出願日】2018-07-18
(65)【公開番号】P2020013905
(43)【公開日】2020-01-23
【審査請求日】2021-06-16
【審判番号】
【審判請求日】2023-07-20
(73)【特許権者】
【識別番号】000183196
【氏名又は名称】住友重機械イオンテクノロジー株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100105924
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 賢樹
(74)【代理人】
【識別番号】100116274
【弁理士】
【氏名又は名称】富所 輝観夫
(72)【発明者】
【氏名】川崎 洋司
(72)【発明者】
【氏名】佐々木 玄
【合議体】
【審判長】恩田 春香
【審判官】三浦 みちる
【審判官】松永 稔
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１０－１２９８３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－２１４８４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１６－５３０７１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－２８１１２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－３１１９６０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
H01L 21/265
H01J 37/317
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１温度のウェハに対して、前記ウェハの表面上の所定の位置に、前記ウェハの結晶軸に対して、チャネリングの生じる臨界角より十分に小さい入射角で、第１イオンビームを照射することと、前記第１イオンビームの照射後、前記第１温度とは異なる第２温度の前記ウェハに対して、前記第１イオンビームの前記入射角と同じ入射角で、前記ウェハの表面上の前記所定の位置に第２イオンビームを照射することと、を備え、
前記第１イオンビームのイオン種は、前記第２イオンビームのイオン種と同じであり、
前記第２イオンビームのエネルギーは、前記第１イオンビームのエネルギーより低く、
前記ウェハ内に所望の注入プロファイルが形成されることを特徴とするイオン注入方法。
【請求項2】
前記第２温度は、前記第１温度より高いことを特徴とする請求項１に記載のイオン注入方法。
【請求項3】
前記第２温度は、前記第１温度より低いことを特徴とする請求項１に記載のイオン注入方法。
【請求項4】
前記第１温度および前記第２温度は、－２００℃以上５００℃以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のイオン注入方法。
【請求項5】
前記第１温度および前記第２温度の差は、５０℃以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のイオン注入方法。
【請求項6】
前記第１イオンビームおよび前記第２イオンビームの少なくとも一方の照射前に前記ウェハを温度調整装置を用いて加熱または冷却することをさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のイオン注入方法。
【請求項7】
前記温度調整装置は、前記第１イオンビームおよび前記第２イオンビームの少なくとも一方の照射時に前記ウェハを保持するウェハ保持装置に設けられることを特徴とする請求項６に記載のイオン注入方法。
【請求項8】
前記第１イオンビームおよび前記第２イオンビームの少なくとも一方の照射中に前記温度調整装置により前記ウェハを加熱または冷却することをさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のイオン注入方法。
【請求項9】
前記温度調整装置は、前記第１イオンビームおよび前記第２イオンビームの少なくとも一方の照射時に前記ウェハを保持するウェハ保持装置から分離されており、前記温度調整装置により加熱または冷却された前記ウェハを前記ウェハ保持装置に搬送することをさらに備えることを特徴とする請求項６に記載のイオン注入方法。
【請求項10】
前記温度調整装置は、前記第１イオンビームおよび前記第２イオンビームの少なくとも一方の照射時に前記ウェハが位置する注入処理室とは異なる準備室内に設けられることを特徴とする請求項９に記載のイオン注入方法。
【請求項11】
前記第１イオンビームおよび前記第２イオンビームの少なくとも一方の照射により前記ウェハに与えられる熱エネルギーを利用して前記ウェハを加熱することをさらに備えることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載のイオン注入方法。
【請求項12】
時間経過による前記ウェハからの熱放散により前記ウェハを冷却することをさらに備えることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載のイオン注入方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、イオン注入方法およびイオン注入装置に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体製造工程では、半導体の導電性を変化させる目的、半導体の結晶構造を変化させる目的などのため、半導体ウエハにイオンを注入する工程（イオン注入工程ともいう）が標準的に実施されている。イオン注入工程は、ウェハ表面に形成されるマスクを介して実行されることがあり、この場合にはマスクの開口領域に対応する箇所に選択的にイオンが注入される。その他、ウェハ表面に形成されるゲート電極などの素子構造を利用して選択的にイオン注入なされることもあり、この場合にはゲート電極に隣接したソース／ドレイン領域などにイオンが注入される。
【0003】
また、ウェハに照射されるイオンビームの角度に応じてイオンビームとウェハとの相互作用の態様が変化し、イオン注入の処理結果に影響を与えることが知られており、所望の注入プロファイルを得るためにイオンビームの注入角度を精密に制御することが求められる。例えば、所定のチャネリング条件を満たすようにイオンビームの注入角度を制御することで、より深い位置までビームを到達させることが可能となり、より深い注入プロファイルを実現できる。一方、チャネリング条件を満たさないようにイオンビームの注入角度を制御することで、より浅い位置に横方向に広がった分布の注入プロファイルを実現できる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１７－１０７７５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
マスク等を利用してウェハ表面の特定箇所にイオンを注入しようとする場合、チャネリングの有無に拘わらず、ウェハ表面に対するイオンビームの入射角度に応じて注入プロファイルが変化しうる。例えば、ウェハ表面に対して垂直にビームを入射すれば、マスクの開口領域の直下を中心にしてイオンが注入されるが、ウェハ表面に対して斜めにビームを入射すれば、マスクの開口領域から斜めにずれた位置を中心にしてイオンが注入されうる。そのため、イオンビームの注入角度を厳密に制御したとしても、所望の注入プロファイルを必ずしも所望の位置に形成できるとは限らない。
【0006】
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、所望の注入プロファイルを実現しうるイオン注入技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明のある態様のイオン注入方法は、第１温度のウェハに対して所定のチャネリング条件を満たすように第１イオンビームを照射することと、第１イオンビームの照射後、第１温度とは異なる第２温度のウェハに対して所定のチャネリング条件を満たすように第２イオンビームを照射することと、を備える。
【0008】
本発明の別の態様のイオン注入方法は、ウェハを温度調整装置を用いて所定の温度に加熱または冷却し、所定の温度のウェハに所定のチャネリング条件を満たすようにイオンビームを照射し、所定の温度とは異なる温度で所定のチャネリング条件を満たすようにイオンビームを照射したときにウェハ内に形成される注入プロファイルと比較して、深さ方向および深さ方向に直交する面内方向の少なくとも一方について異なる注入プロファイルをウェハ内に形成する。
【0009】
本発明のさらに別の態様は、イオン注入装置である。この装置は、イオンビームを輸送するビームライン装置と、イオンビームが照射されるウェハを保持するウェハ保持装置と、ウェハを加熱または冷却するための温度調整装置と、を備える。ウェハを温度調整装置を用いて所定の温度に加熱または冷却し、ウェハを所定のチャネリング条件を満たすようにウェハ保持装置に保持し、ウェハ保持装置に保持される所定の温度のウェハにイオンビームを照射する。
【0010】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、所望の注入プロファイルを実現しうるイオン注入技術を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図3】イオンビームの注入角度とウェハ内に形成される深さ方向の注入プロファイルの関係の一例を示すグラフである。
【図4】イオンビームの注入角度と二つのピーク位置での注入濃度との関係の一例を示すグラフである。
【図5】ウェハ内の注入イオンの分布の一例を模式的に示すグラフである。
【図6】高エネルギー注入の工程の一例を模式的に示す断面図である。
【図7】ウェハ温度とウェハ内に形成される深さ方向の注入プロファイルとの関係の一例を示すグラフである。
【図8】ウェハ温度と二つのピーク位置での注入濃度との関係の一例を示すグラフである。
【図9】リン（Ｐ）イオンを照射したときにウェハ内に形成される注入プロファイルの一例を示すグラフである。
【図10】砒素（Ａｓ）イオンを照射したときにウェハ内に形成される注入プロファイルの一例を示すグラフである。
【図13】実施の形態に係るイオン注入装置の概略構成を示す上面図である。
【図15】レンズ装置によるイオンビームの収束／発散の制御例を模式的に示すグラフである。
【図16】基板搬送処理ユニットの構成を詳細に示す側面図である。
【図17】ウェハ保持装置にウェハを配置する工程を模式的に示す側面図である。
【図21】実施の形態に係るイオン注入方法の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
【0014】
実施の形態を説明する前に、本発明の概要を述べる。本実施の形態に係るイオン注入方法は、ウェハを温度調整装置を用いて所定の温度に加熱または冷却し、所定の温度のウェハに所定のチャネリング条件を満たすようにイオンビームを照射する。ここで「所定のチャネリング条件が満たされる」とは、ウェハの結晶軸または結晶面に沿ってイオンビームを入射させることにより、チャネリング現象が生じうる角度条件が満たされるように注入処理を実行することをいう。本実施の形態によれば、イオン注入時のウェハの角度条件と温度条件の双方を適切に制御することにより、ウェハ内に所望の注入プロファイルを形成することができる。
【0015】
図１（ａ），（ｂ）は、注入イオン９２のチャネリング現象の有無を模式的に示す図である。図１（ａ）は、結晶格子９０の内部を注入イオン９２がチャネリングする様子を示す。注入イオン９２は、結晶格子９０の結晶軸Ｃに対する入射角θ１が相対的に小さく、結晶軸Ｃに沿って結晶格子９０の内部を進行する。そのため、注入イオン９２は、結晶格子９０を構成する原子９１との相互作用の影響が小さく、結晶格子９０のより深くまで直線的に到達しうる。
【0016】
図１（ｂ）は、結晶格子９０の内部で注入イオン９２がチャネリングしない様子を示す。注入イオン９２は、結晶格子９０の結晶軸Ｃに対する入射角θ２が相対的に大きく、結晶軸Ｃと交差するように結晶格子９０の内部を進行し、結晶格子９０を構成する原子９１と相互作用して散乱されながら進行していく。そのため、注入イオン９２は、結晶格子９０のより浅い位置までしか到達せず、また、注入方向に直交する方向（図１（ｂ）の紙面の上下方向や紙面に直交する方向）に当初の注入位置からシフトした位置に到達しうる。
【0017】
本書において、図１（ａ）に示される状況を「オンチャネリング(on-channeling)」ともいい、図１（ｂ）に示される状況を「オフチャネリング(off-channeling)」ともいう。結晶格子９０に入射する注入イオン９２が「オンチャネリング」または「オフチャネリング」のいずれとなるかは、主に注入イオン９２の入射角θ１，θ２に応じて決まる。オンチャネリングとオフチャネリングの閾値となる入射角は、臨界角θＣとも言われる。臨界角θＣは、一例として以下の式（１）で表すことができる。
【0018】
【数1】
【0019】
このような数値の臨界角θＣに対して注入イオンの入射角θが十分に小さければ（θ＜θＣ）、図１（ａ）に示すオンチャネリングの状態でイオンが注入される。一方、臨界角θＣに対して注入イオンの入射角θが十分に大きければ（θ＞θＣ）、図１（ｂ）に示すオフチャネリングの状態でイオンが注入される。そのため、ウェハにイオンビームを照射して注入処理を実施する場合、イオンビームの角度特性に応じてイオンビームを構成する注入イオンの到達深さや水平方向の広がりなどが変化し、ウェハ内の注入イオンの濃度分布である「注入プロファイル」の形状が変化しうる。したがって、イオン注入工程では、イオンビームの進行方向に対するウェハの傾斜角が調整され、ウェハに入射するビーム全体の平均値としての注入角度が制御される。
【0020】
ウェハに入射するイオンビームの角度特性には、ビーム全体の平均値としての入射角度の他にイオンビームを構成するイオン粒子群としての角度分布がある。ウェハに入射するイオンビームは、わずかながらも発散または収束している場合がほとんどであり、ビームを構成するイオン粒子群はある広がりを持つ角度分布を有する。このとき、ビーム全体の平均値としての入射角度が臨界角θＣよりも大きい場合であっても、一部のイオン粒子の角度成分が臨界角θＣより小さければ、その一部のイオンに起因するチャネリング現象が生じる。逆に、ビーム全体の平均値としての入射角度が臨界角θＣよりも小さい場合であっても、一部のイオン粒子の角度成分が臨界角θＣより大きければ、その一部のイオンはオフチャネリングとなる。
【0021】
図２（ａ）～（ｄ）は、ウェハＷに入射するイオンビームＢの角度特性を模式的に示す図である。本図（ａ）～（ｄ）では、説明を容易にするため、ウェハＷの表面に対して結晶軸Ｃの向きが垂直である場合を示しており、ウェハ主面の「オフ角（off angle）」が０度である場合を示している。なお、実際に使用されるウェハＷは、オフ角が厳密に０度である必要はない。
【0022】
図２（ａ）は、イオンビームＢがウェハＷの結晶軸Ｃと平行に入射し、かつ、イオンビームＢを構成するイオン粒子のほぼ全てが結晶軸Ｃと平行に進行する「平行ビーム」を示している。図２（ｂ）は、イオンビームＢが平行ビームである点で（ａ）と共通するが、イオンビームＢの入射角が結晶軸Ｃに対して斜めとなる「斜め入射ビーム」を示す。図２（ｃ）は、ウェハＷに向かってイオンビームＢのビーム径が広がって発散していく「発散ビーム」を示し、図２（ｄ）は、ウェハＷに向かってイオンビームＢのビーム径が狭くなって収束していく「収束ビーム」を示す。このように、イオンビームＢは、ビーム全体の進行方向に対して発散または収束している場合があり、ビーム全体としての進行方向とは別に、各イオン粒子の角度成分のばらつきを表す「角度分布」を有する。
【0023】
図２（ｅ）～（ｈ）は、（ａ）～（ｄ）のそれぞれに対応するイオンビームＢの角度分布を模式的に示すグラフである。グラフの縦軸は、イオンビームＢを構成するイオン粒子の数を表し、グラフの横軸は、イオンビームＢを構成するイオン粒子の結晶軸Ｃに対する入射角θを表す。グラフにおいて、入射角θの絶対値が臨界角θＣより小さい範囲をオンチャネリング領域Ｃ１として示し、入射角θの絶対値が臨界角θＣより大きい範囲をオフチャネリング領域Ｃ２として示している。
【0024】
図２（ｅ）では、角度分布の中心が０度であり、イオンビームＢの角度分布の広がりが小さいため、角度分布の全体がオンチャネリング領域Ｃ１に含まれる。その結果、図２（ｅ）では、オンチャネリングとなる注入イオンが支配的となる。一方、図２（ｆ）では、イオンビームＢの角度分布の広がりが小さいものの、角度分布の中心が臨界角θＣよりも大きいため、角度分布の全体がオフチャネリング領域Ｃ２に含まれる。その結果、図２（ｅ）では、オフチャネリングとなる注入イオンが支配的となる。図２（ｇ）及び（ｈ）では、イオンビームＢの角度分布の広がりが大きく、角度分布の中心が０度となっているため、角度分布の全体がオンチャネリング領域Ｃ１およびオフチャネリング領域Ｃ２の双方にわたっている。その結果、図２（ｇ）及び（ｈ）では、オンチャネリングおよびオフチャネリングの双方が混在した状態となる。なお、角度分布の中心角度と広がりの大きさに応じて、オンチャネリングおよびオフチャネリングの混合比率が変化しうる。
【0025】
図３は、イオンビームＢの注入角度θとウェハ内に形成される深さ方向の注入プロファイルとの関係の一例を示すグラフである。本図は、注入イオンをボロン（Ｂ）、注入対象をシリコン（Ｓｉ）の（１００）面とし、注入エネルギーを１．５ＭｅＶとした場合のシミュレーション結果を示す。上述の式（１）に基づく臨界角θＣは、約０．９度である。イオンビームＢは、図２（ｃ）に示すような発散ビームであり、発散角の大きさ（分散値）は約０．４度である。イオンビームＢの注入角度θは、０度、０．２度、０．５度、１度、２度、５度としている。注入プロファイルは、注入角度θが小さいほど全体的により深い位置（グラフの右側）に分布している。また、注入プロファイルは、おおむね二つのピークを有し、第１のピークＰ１が約２．２μｍの深さ位置にあり、第２のピークＰ２が約３．１μｍの深さ位置にある。第１のピークＰ１は、注入角度θが小さいほど低く、注入角度θが大きいほど高くなる傾向となることから、オフチャネリングに基づく注入イオンに対応すると考えられる。一方、第２のピークＰ２は、注入角度θが小さいほど高く、注入角度θが小さいほど低くなる傾向となることから、オンチャネリングに基づく注入イオンに対応すると考えられる。
【0026】
図４は、イオンビームＢの注入角度θと二つのピーク位置Ｐ１，Ｐ２での注入濃度との関係の一例を示すグラフであり、図３に示される注入プロファイルに対応する。破線Ｐ１は、第１のピークに対応する深さｄ＝２．２μｍでの注入濃度を示し、実線Ｐ２は、第２のピークに対応する深さｄ＝３．１μｍでの注入濃度を示す。図示されるように、第１のピークＰ１での注入濃度は、注入角度θが小さいほど低く、注入角度θが大きいほど高くなる傾向となる。一方、第２のピークＰ２での注入濃度は、注入角度θが小さいほど高く、注入角度θが大きいほど低くなる傾向となる。
【0027】
図５は、ウェハ内の注入イオン９２の分布の一例を模式的に示すグラフである。本図は、図３と同様の注入条件でのシミュレーションによる計算結果を示し、注入イオンをボロン（Ｂ）、注入対象をシリコン（Ｓｉ）の（１００）面、注入エネルギーを１．５ＭｅＶとし、イオンビームＢの注入角度θを０度、イオンビームＢの発散角の大きさを約０．４度としている。グラフの縦軸は、ウェハＷの表面からの深さ位置を示し、グラフの横軸は、ウェハＷの表面に平行な面内方向の位置を示す。本図に示す例では、注入イオン９２が深さ２．０μｍから３．５μｍの範囲にわたって存在する。相対的に深い位置に注入されるイオン９３は、オンチャネリングに基づく注入イオンであり、面内方向の中心付近にのみ存在する。一方、相対的に浅い位置に注入されるイオン９４は、オフチャネリングに基づく注入イオンであり、面内方向の中心位置から離れた位置まで広がるように分布する。このように、オンチャネリングおよびオフチャネリングのそれぞれに基づく注入イオン９３，９４は、深さ方向に直交する面内方向の分布も異なることが分かる。
【0028】
以上より、ウェハＷの結晶軸Ｃに対する注入角度θを精密に制御することで、ウェハＷの内部に形成される注入プロファイルの形状を制御できる。特に、オンチャネリングが支配的となる角度条件を選択すれば、より深い位置に面内方向の広がりの小さい注入プロファイルを実現できる。一方、オフチャネリングが支配的となる角度条件を選択すれば、より浅い位置に面内方向の広がりの大きい注入プロファイルが実現できる。さらに、注入イオンのエネルギーを変化させることで、注入されるイオン全体の深さ位置を制御できる。
【0029】
しかしながら、イオン注入処理の対象によっては、注入プロファイルを制御する目的で注入角度θを自由に変化させることができない場合がある。近年、半導体デバイスのさらなる微細化や特性向上を目的として、ウェハ表面から深さ方向により深い位置にイオンを注入したいという顧客要求がある。このとき、面内方向の特定領域にのみイオンを注入するためにウェハ表面にマスクが形成される。また、より深い位置にイオンを注入するために、例えば１００ｋｅＶ以上、または１ＭｅＶ以上の高エネルギーのイオンビームが使用される。
【0030】
図６は、高エネルギー注入の工程の一例を模式的に示す断面図であり、ウェハＷの表面上に設けられる厚みｔが大きいマスク８０を介してイオンビームＢを照射する様子を示す。図示されるように、高エネルギーのイオンビームＢを適切に遮蔽するためにはウェハ表面のマスク８０を厚く形成する必要があり、その結果、マスク８０の開口部８２のアスペクト比が高くなる。そのため、ウェハＷの表面に対して斜めにイオンビームを入射させると、開口部８２が高アスペクト比であるために開口部８２に斜めに入射するイオンビームが開口部８２の側面８１などによって少なくとも部分的に遮蔽され、開口部８２に対応する注入領域８４に適切にイオンビームを照射することが困難となる。したがって、高アスペクト比の開口部８２を持つマスク８０を使用する場合、ウェハＷに対してほぼ垂直にイオンビームＢを入射させなければならず、マスク形状に起因してイオンビームＢの入射角度θに制約が生じる。この場合、注入プロファイルを制御する目的でイオンビームＢの入射角度θを自由に設定することができない。
【0031】
そこで、本発明者らは、イオンビームＢの照射時のウェハＷの温度条件を制御することにより、ウェハＷ内に形成される注入プロファイルの形状を制御しようと考えた。本発明者らの知見によれば、イオンビームＢの照射時のウェハ温度を高くすることで、相対的にチャネリングしにくい状況下（つまり、オフチャネリング）でイオンを注入できる。逆に、イオンビームＢの照射時のウェハ温度を低くすることで、相対的にチャネリングしやすい状況下（つまり、オンチャネリング）でイオンを注入できる。
【0032】
図７は、ウェハ温度ＴとウェハＷ内に形成される深さ方向の注入プロファイルとの関係の一例を示すグラフである。本図は、図３と同様、注入イオンをボロン（Ｂ）、注入対象をシリコン（Ｓｉ）の（１００）面、注入エネルギーを１．５ＭｅＶ、イオンビームＢの発散角を０．４度としたときのシミュレーション結果である。一方で、図７ではイオンビームＢの注入角度θを０度に固定している。また、ビーム照射時のウェハＷの温度Ｔは、－２７３℃、－１９６℃、－１００℃、２７℃、１５０℃、４１４℃、４５０℃としている。図示されるように、注入プロファイルは、ウェハ温度が低いほど全体的に深い位置（グラフの右側）に分布している。また、注入プロファイルの第１のピークＰ１は、ウェハ温度Ｔが低いほど小さく、ウェハ温度Ｔが高いほど大きくなる傾向となる。一方、第２のピークＰ２は、ウェハ温度Ｔが低いほど大きく、ウェハ温度Ｔが高いほど小さくなる傾向となる。
【0033】
図８は、ウェハ温度Ｔと二つのピーク位置Ｐ１，Ｐ２での注入濃度との関係の一例を示すグラフであり、図７に示される注入プロファイルに対応する。破線Ｐ１は、第１のピークに対応する深さｄ＝２．２μｍでの注入濃度を示し、実線Ｐ２は、第２のピークに対応する深さｄ＝３．１μｍでの注入濃度を示す。図示されるように、第１のピークＰ１での注入濃度は、ウェハ温度Ｔが低いほど低く、ウェハ温度Ｔが高いほど高くなる傾向となる。一方、第２のピークＰ２での注入濃度は、ウェハ温度Ｔが低いほど高く、ウェハ温度Ｔが高いほど低くなる傾向となる。
【0034】
以上より、注入時のウェハ温度Ｔを変化させることにより、注入角度θを変化させる場合と同様に注入プロファイルを制御できることが分かる。具体的には、ウェハ温度Ｔを低くすることでオンチャネリングが支配的な状態にすることができる。これは、ウェハＷを低温にすることで、ウェハＷの結晶格子を構成する原子の動きが小さくなって注入されたイオンとウェハＷの結晶格子とが相互作用する確率が低くくなり、チャネリングしやすい状態となることが原因と考えられる。したがって、ウェハ温度Ｔを低くすることで、より深い位置に面内方向の広がりの小さい注入プロファイルを実現できる。一方、ウェハ温度Ｔを高くすることで、オフチャネリングが支配的な状態にすることができ、より浅い位置に面内方向の広がりの大きい注入プロファイルを実現できる。
【0035】
本実施の形態では、ウェハＷを所定の温度に加熱または冷却し、所定の温度のウェハＷに所定のチャネリング条件を満たすようにイオンビームＢを照射することで、所定の温度とは異なる温度で所定のチャネリング条件を満たすようにイオンビームＢを照射したときとは異なる注入プロファイルを実現する。例えば、室温（２７℃）よりも低い温度でイオンビームＢを照射することで、室温でイオンビームＢを照射した場合と比較して、より深い位置に面内方向の広がりの小さい注入プロファイルを実現できる。また、室温よりも高い温度でイオンビームＢを照射することで、室温でイオンビームＢを照射した場合と比較して、より浅い位置に面内方向の広がりの大きい注入プロファイルを実現できる。
【0036】
繰り返しになるが、ここで「所定のチャネリング条件」とは、室温条件でオンチャネリングが支配的となる注入角度θの条件のことをいい、例えば、照射するイオンビームＢの角度成分の多くが式（１）にて算出される臨界角θＣの範囲内となる条件のことをいう。一例を挙げれば、所定のチャネリング条件が満たされる場合とは、照射するイオンビームＢの角度分布の少なくとも半値全幅がオンチャネリング領域Ｃ１に含まれるような場合である。
【0037】
本実施の形態に係るイオン注入方法は、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサの製造時におけるアイソレーション注入やフォトダイオード注入に適用できる。アイソレーション注入では、例えば、注入イオン種として上述のボロン（Ｂ）を用いることができ、フォトダイオード注入ではリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）を用いることができる。本実施の形態は、高エネルギー注入に適用可能であり、例えば、２００ｋｅＶ～２０ＭｅＶの注入エネルギーとすることができる。このときに実現可能な注入深さは、０．１μｍ～１０μｍ程度である。
【0038】
注入対象をシリコン（Ｓｉ）の（１００）面とした場合、注入エネルギーに応じたボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）および砒素（Ａｓ）の式（１）に基づく臨界角θＣは以下の通りである。注入エネルギーが２００ｋｅＶの場合、ボロン（Ｂ）の臨界角θＣは２．４７度であり、リン（Ｐ）の臨界角θＣは４．２７度であり、砒素（Ａｓ）の臨界角θＣは６．３４度である。注入エネルギーが２ＭｅＶの場合、ボロン（Ｂ）の臨界角θＣは０．７８度であり、リン（Ｐ）の臨界角θＣは１．３５度であり、砒素（Ａｓ）の臨界角θＣは２．００度である。注入エネルギーが１０ＭｅＶの場合、ボロン（Ｂ）の臨界角θＣは０．３５度であり、リン（Ｐ）の臨界角θＣは０．６０度であり、砒素（Ａｓ）の臨界角θＣは０．９０度である。このように、オンチャネリングとなる臨界角θＣは、イオン種と注入エネルギーとに依存するため、注入条件に応じて適切なイオンビームＢの角度条件を設定することが好ましい。例えば、所定のチャネリング条件に対応するイオンビームＢの角度条件は、結晶軸Ｃに対して、７度以内、５度以内、３度以内、１度以内とすることができる。
【0039】
図９は、リン（Ｐ）イオンを照射したときにウェハ内に形成される注入プロファイルの一例を示すグラフである。本図は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ、Secondary Ion Mass Spectrometry）による測定結果である。注入対象は、シリコン（Ｓｉ）の（１００）面であり、注入エネルギーは２．２ＭｅＶである。図示されるように、注入角度θを０度とし、ウェハ温度Ｔを室温（２７℃）とした場合にはオンチャネリングの影響が目立ち、深さ２μｍ～４μｍの範囲にわたって注入濃度が高いプロファイルとなる。一方、注入角度θを０度としたままウェハ温度Ｔを高温（４５０℃）とする場合や、ウェハ温度Ｔを室温（２７℃）としたまま注入角度θを１度や２度とした場合、オフチャネリングに基づく深さ２μｍ程度のピークが明瞭となる一方で、深さ３μｍ～４μｍ程度で注入濃度が低いプロファイルとなる。したがって、リン（Ｐ）を注入する場合であっても、注入角度θを０度付近に固定したままウェハ温度Ｔを高くすることで、注入角度θを臨界角（例えば１．２９度）程度に設定した場合と同様の注入プロファイルを実現することができる。
【0040】
図１０は、砒素（Ａｓ）イオンを照射したときにウェハ内に形成される注入プロファイルの一例を示すグラフである。本図もＳＩＭＳによる測定結果である。注入対象は、シリコン（Ｓｉ）の（１００）面であり、注入エネルギーは３．１ＭｅＶである。図示されるように、注入角度θを０度とし、ウェハ温度Ｔを室温（２７℃）とした場合にはオンチャネリングの影響のため、深さ２μｍ程度のピーク位置から深さ６μｍまでの範囲にわたって注入濃度がなだらかに低下するプロファイルとなる。一方、注入角度θを０度としたままウェハ温度Ｔを高温（４５０℃）とする場合や、ウェハ温度Ｔを室温（２７℃）としたまま注入角度θを１度や２度とした場合、オフチャネリングに基づく深さ２μｍ程度のピークがより顕著となり、深さ２μｍ以上の範囲で注入濃度がより顕著に低下するプロファイルとなる。したがって、砒素（Ａｓ）を注入する場合であっても、注入角度θを０度付近に固定したままウェハ温度Ｔを高くすることで、注入角度θを臨界角（例えば１．６１度）程度に設定した場合と同様の注入プロファイルを実現することができる。
【0041】
なお、本手法は、Ｂ，Ｐ，Ａｓ以外のイオン種にも適用することができ、例えば、窒素（Ｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、アンチモン（Ｓｂ）などにも適用可能である。
【0042】
本実施の形態に係る手法は、照射するイオンビームＢのドーズ量を中程度以下とすることが好ましく、例えばドーズ量を１×１０１４ｃｍ－２以下、または１×１０１３ｃｍ－２以下とすることが好ましい。ドーズ量を増やすと、イオン注入処理によってビームが照射された領域にダメージが蓄積して結晶構造がアモルファス化し、チャネリングしにくい結晶状態に変化してしまうためである。
【0043】
本実施の形態は、ウェハ面内の同じ注入領域に注入エネルギーの異なるイオンビームを照射する多段注入にも適用可能である。例えば、同じ注入領域に対して、高エネルギー、中エネルギー、低エネルギーの三つのイオンビームを照射することで、異なる三つの深さ位置のそれぞれを中心とする範囲にイオンを注入し、注入濃度の高い領域が深さ方向に連続した注入プロファイルを形成できる。このとき、ウェハ温度Ｔを変えながら多段注入することで、深さ方向および面内方向の少なくとも一方の注入プロファイルの形状をより精密に制御することができる。
【0044】
図１１（ａ）～（ｃ）は、実施の形態に係る多段注入の一例を模式的に示す断面図である。まず、図１１（ａ）の第１工程では、マスク８０の開口部８２に対応する注入領域のうちの相対的に深い第１部分８６ａに高エネルギーの第１イオンビームＢ１１を照射する。つづいて、図１１（ｂ）の第２工程において、マスク８０の開口部８２に対応する注入領域のうちの中程度の深さに位置する第２部分８６ｂに中エネルギーの第２イオンビームＢ１２を照射する。その後、図１１（ｃ）の第３工程において、マスク８０の開口部８２に対応する注入領域のうちの相対的に浅い第３部分８６ｃに低エネルギーの第３イオンビームＢ１３を照射する。これにより、第１部分８６ａ、第２部分８６ｂおよび第３部分８６ｃが深さ方向に連続した注入領域８６が形成される。
【0045】
図１１（ａ）～（ｃ）に示される第１工程～第３工程のそれぞれで照射されるイオンビームＢ１１～Ｂ１３の注入角度は共通であり、所定のチャネリング条件が満たされるようにウェハ表面に対してほぼ垂直にイオンビームを入射させている。一方、第１工程～第３工程のそれぞれでは、ウェハ温度Ｔを変化させている。第１工程では、ウェハ温度Ｔを相対的に低くすることで、オンチャネリングが支配的な注入条件とし、第１部分８６ａの面内方向の幅ｗ１を小さくしている。第２工程では、ウェハ温度Ｔを中程度とすることで、オフチャネリングの寄与を大きくし、第２部分８６ｂの面内方向の幅ｗ２を第１部分８６ａの幅ｗ１よりも大きくしている。第３工程では、ウェハ温度Ｔを相対的に高くすることで、オフチャネリングの寄与をさらに大きくし、第３部分８６ｃの面内方向の幅ｗ３を第２部分８６ｂの幅ｗ２よりも大きくしている。このように温度条件を変えながら第１工程～第３工程の注入処理を実行することにより、ウェハ表面から離れる（つまり、注入位置が深くなる）につれて面内方向の幅ｗ３～ｗ１が順に小さくなる台形状の注入領域８６を形成することができる。このようなトレンチ型の注入プロファイルは、例えば、アイソレーション注入領域として用いることができる。
【0046】
図１２（ａ）～（ｃ）は、実施の形態に係る多段注入の別の一例を模式的に示す断面図である。本図の例においても、上述の図１１（ａ）～（ｃ）と同様、エネルギーの異なるイオンビームＢ２１～Ｂ２３をマスク８０の開口部８２に対応する部分に照射する。まず、図１２（ａ）の第１工程にて、深い位置の第１部分８８ａに高エネルギーの第１イオンビームＢ２１を照射し、図１２（ｂ）の第２工程にて、中程度の深さの第２部分８８ｂに中エネルギーの第２イオンビームＢ２２を照射し、図１２（ｃ）の第３工程にて、浅い位置の第３部分８８ｃに低エネルギーの第３イオンビームＢ２３を照射する。これにより、第１部分８８ａ、第２部分８８ｂおよび第３部分８８ｃが深さ方向に連続した注入領域８８が形成される。
【0047】
一方、図１２（ａ）～（ｃ）に示す例では、上述の図１１（ａ）～（ｃ）とはウェハＷの温度条件を逆にしている。具体的には、第１工程では、ウェハ温度Ｔを相対的に高くすることで、オフチャネリングが支配的な注入条件とし、第１部分８８ａの面内方向の幅ｗ１を大きくしている。第２工程では、ウェハ温度Ｔを中程度とすることで、オンチャネリングの寄与を大きくし、第２部分８８ｂの面内方向の幅ｗ２を第１部分８８ａの幅ｗ１よりも小さくしている。第３工程では、ウェハ温度Ｔを相対的に低くすることで、オンチャネリングの寄与をさらに大きくし、第３部分８８ｃの面内方向の幅ｗ３を第２部分８８ｂの幅ｗ２よりも小さくしている。このように温度条件を変えながら第１工程～第３工程の注入処理を実行することにより、ウェハ表面から離れる（つまり、注入位置が深くなる）につれて面内方向の幅ｗ３～ｗ１が順に大きくなる形状の注入領域８８を形成することができる。このようなトレンチ型の注入プロファイルは、例えば、図１１（ｃ）に示すアイソレーション注入領域８６に隣接するフォトダイオード注入領域として用いることができる。
【0048】
なお、上述の例では、多段注入の工程数を三つとしたが、多段注入の工程数を二つとしてもよいし、四以上としてもよい。また、多段注入で照射されるイオンビームの注入角度を固定したままウェハ温度Ｔおよび注入エネルギーのみを変化させてもよいし、注入角度を工程間で変化させてもよい。
【0049】
ウェハ温度Ｔを変化させる場合、例えば、－２００℃～５００℃の範囲内で温度を変化させることができる。なお、温度の変化範囲を－１００℃～４００℃の範囲内とすることで、比較的簡易な温度調整装置を用いてウェハの温度Ｔを調整できる。なお、多段注入の工程間でウェハ温度Ｔを変化させる場合、工程間の温度差を５０℃以上とすることが好ましい。ウェハ温度Ｔを５０℃以上、好ましくは１００℃以上変化させることで、１回の注入工程にて生じるオンチャネリングとオフチャネリングのそれぞれの寄与度の割合を有意に変化させることができ、所望の注入プロファイルとなるように深さ方向および面内方向の注入プロファイルの形状を調整できる。
【0050】
つづいて、上述のイオン注入方法を実施するためのイオン注入装置について説明する。
【0051】
図１３は、実施の形態に係るイオン注入装置１００を概略的に示す上面図である。イオン注入装置１００は、いわゆる高エネルギーイオン注入装置である。高エネルギーイオン注入装置は、高周波線形加速方式のイオン加速器と高エネルギーイオン輸送用ビームラインを有するイオン注入装置であり、イオン源１０で発生したイオンを加速し、そうして得られたイオンビームＢをビームラインに沿って被処理物（例えば基板またはウェハＷ）まで輸送し、被処理物にイオンを注入する。
【0052】
高エネルギーイオン注入装置１００は、イオンを生成して質量分離するイオンビーム生成ユニット１２と、イオンビームを加速して高エネルギーイオンビームにする高エネルギー多段線形加速ユニット１４と、高エネルギーイオンビームのエネルギー分析、エネルギー分散の制御、軌道補正を行うビーム偏向ユニット１６と、分析された高エネルギーイオンビームをウェハＷまで輸送するビーム輸送ラインユニット１８と、輸送された高エネルギーイオンビームを半導体ウェハに注入する基板搬送処理ユニット２０とを備える。
【0053】
イオンビーム生成ユニット１２は、イオン源１０と、引出電極１１と、質量分析装置２２と、を有する。イオンビーム生成ユニット１２では、イオン源１０から引出電極１１を通してビームが引き出されると同時に加速され、引出加速されたビームは質量分析装置２２により質量分析される。質量分析装置２２は、質量分析磁石２２ａ、質量分析スリット２２ｂを有する。質量分析スリット２２ｂは、質量分析磁石２２ａの直後に配置する場合もあるが、実施例では、その次の構成である高エネルギー多段線形加速ユニット１４の入り口部内に配置される。質量分析装置２２による質量分析の結果、注入に必要なイオン種だけが選別され、選別されたイオン種のイオンビームは、次の高エネルギー多段線形加速ユニット１４に導かれる。
【0054】
高エネルギー多段線形加速ユニット１４は、イオンビームの加速を行う複数の線形加速装置、すなわち、一つ以上の高周波共振器を備えている。高エネルギー多段線形加速ユニット１４は、高周波（ＲＦ）電場の作用により、イオンを加速することができる。高エネルギー多段線形加速ユニット１４は、高エネルギーイオン注入用の基本的な複数段の高周波共振器を備える第１線形加速器１５ａを備える。高エネルギー多段線形加速ユニット１４は、超高エネルギーイオン注入用の追加の複数段の高周波共振器を備える第２線形加速器１５ｂを追加的に備えてもよい。高エネルギー多段線形加速ユニット１４により、さらに加速されたイオンビームは、ビーム偏向ユニット１６により方向が変化させられる。
【0055】
イオンビームを高エネルギーまで加速する高周波方式の高エネルギー多段線形加速ユニット１４を出た高エネルギーイオンビームは、ある範囲のエネルギー分布を持っている。このため、高エネルギー多段線形加速ユニット１４の下流で高エネルギーのイオンビームをビーム走査およびビーム平行化させてウェハに照射するためには、事前に高い精度のエネルギー分析と、軌道補正及びビーム収束発散の調整を実施しておくことが必要となる。
【0056】
ビーム偏向ユニット１６は、高エネルギーイオンビームのエネルギー分析、エネルギー分散の制御、軌道補正を行う。ビーム偏向ユニット１６は、少なくとも二つの高精度偏向電磁石と、少なくとも一つのエネルギー幅制限スリットと、少なくとも一つのエネルギー分析スリットと、少なくとも一つの横収束機器とを備える。複数の偏向電磁石は、高エネルギーイオンビームのエネルギー分析と、イオン注入角度の精密な補正とを行うよう構成されている。
【0057】
ビーム偏向ユニット１６は、エネルギー分析電磁石２４と、エネルギー分散を抑制する横収束四重極レンズ２６と、エネルギー分析スリット２８と、ステアリング（軌道補正）を提供する偏向電磁石３０とを有する。なお、エネルギー分析電磁石２４は、エネルギーフィルタ電磁石（ＥＦＭ）と呼ばれることもある。高エネルギーイオンビームは、ビーム偏向ユニット１６によって方向転換され、ウェハＷの方向へ向かう。
【0058】
ビーム輸送ラインユニット１８は、ビーム偏向ユニット１６から出たイオンビームＢを輸送するビームライン装置であり、収束／発散レンズ群から構成されるビーム整形器３２と、ビーム走査器３４と、ビーム平行化器３６と、最終エネルギーフィルタ３８（最終エネルギー分離スリットを含む）とを有する。ビーム輸送ラインユニット１８の長さは、イオンビーム生成ユニット１２と高エネルギー多段線形加速ユニット１４とを合計した長さに合わせて設計されており、ビーム偏向ユニット１６で結ばれて、全体でＵ字状のレイアウトを形成する。
【0059】
ビーム輸送ラインユニット１８の下流側の終端には、基板搬送処理ユニット２０が設けられる。基板搬送処理ユニット２０は、注入処理室６０と、基板搬送部６２とを含む。注入処理室６０には、イオン注入中のウェハＷを保持し、ウェハＷをビーム走査方向と直角方向に動かすプラテン駆動装置４０が設けられる。プラテン駆動装置４０には、イオン注入中のウェハ温度Ｔを調整するための温度調整装置５０が設けられる。基板搬送部６２には、イオン注入前のウェハＷを注入処理室６０に搬入し、イオン注入済のウェハＷを注入処理室６０から搬出するための搬送ロボットなどのウェハ搬送機構が設けられる。
【0060】
イオン注入装置１００のビームライン部は、対向する２本の長直線部を有する水平のＵ字状の折り返し型ビームラインに構成されている。上流の長直線部は、イオンビーム生成ユニット１２で生成されたイオンビームＢを加速する複数のユニットで構成される。下流の長直線部は、上流の長直線部に対し方向転換されたイオンビームＢを調整してウェハＷに注入する複数のユニットで構成される。２本の長直線部はほぼ同じ長さに構成されている。２本の長直線部の間には、メンテナンス作業のために十分な広さの作業スペースＲ１が設けられている。
【0061】
図１４（ａ）、（ｂ）は、ビーム整形器３２に含まれるレンズ装置３２ａ，３２ｂ，３２ｃの構成を模式的に示す図である。図１３に示されるビーム整形器３２は、例えば、三つの四重極レンズ装置３２ａ～３２ｃを含み、ビーム軌道の上流から下流に向けて、第１レンズ装置３２ａ、第２レンズ装置３２ｂ、第３レンズ装置３２ｃの順に配置される。図１４（ａ）は、イオンビームＢを縦方向（ｙ方向）に収束させる第１レンズ装置３２ａおよび第３レンズ装置３２ｃの構成を示し、図１４（ｂ）は、イオンビームＢを横方向（ｘ方向）に収束させる第２レンズ装置３２ｂの構成を示す。
【0062】
図１４（ａ）の第１レンズ装置３２ａは、横方向（ｘ方向）に対向する一組の水平対向電極７２と、縦方向（ｙ方向）に対向する一組の垂直対向電極７４とを有する。一組の水平対向電極７２には負電位－Ｑｙが印加され、垂直対向電極７４には正電位＋Ｑｙが印加される。第１レンズ装置３２ａは、正の電荷を有するイオン粒子群で構成されるイオンビームＢに対し、負電位の水平対向電極７２との間で引力を生じさせ、正電位の垂直対向電極７４との間で斥力を生じさせる。これにより、第１レンズ装置３２ａは、イオンビームＢをｘ方向に発散させ、ｙ方向に収束させるようにビーム形状を整える。第３レンズ装置３２ｃも第１レンズ装置３２ａと同様に構成され、第１レンズ装置３２ａと同じ電位が印加される。
【0063】
図１４（ｂ）の第２レンズ装置３２ｂは、横方向（ｘ方向）に対向する一組の水平対向電極７６と、縦方向（ｙ方向）に対向する一組の垂直対向電極７８とを有する。第２レンズ装置３２ｂは、第１レンズ装置３２ａと同様に構成されるが、印加される電位の正負が逆である。一組の水平対向電極７６には正電位＋Ｑｘが印加され、垂直対向電極７８には負電位－Ｑｘが印加される。第２レンズ装置３２ｂは、正の電荷を有するイオン粒子群で構成されるイオンビームＢに対し、正電位の水平対向電極７６との間で斥力を生じさせ、負電位の垂直対向電極７８との間で引力を生じさせる。これにより、第２レンズ装置３２ｂは、イオンビームＢをｘ方向に収束させ、ｙ方向に発散させるようにビーム形状を整える。
【0064】
図１５は、レンズ装置３２ａ～３２ｃによるイオンビームＢの収束／発散の制御例を模式的に示すグラフであり、レンズ装置３２ａ～３２ｃの対向電極に印加される電位Ｑｘ，Ｑｙと整形されるビームの角度分布との関係性を示す。横軸の縦収束電位Ｑｙは、第１レンズ装置３２ａおよび第３レンズ装置３２ｃに印加される電位を示し、縦軸の横収束電位Ｑｘは、第２レンズ装置３２ｂに印加される電位を示す。
【0065】
所定の電位Ｑｘ０、Ｑｙ０が印加される地点Ｓは、図２（ａ）または（ｂ）に示すようなｘ方向およびｙ方向の双方の注入角度分布の広がりが小さい「平行ビーム」となる動作条件である。この地点Ｓから直線Ｌｘに沿って電位Ｑｘ，Ｑｙを変化させると、ｘ方向の注入角度分布のみを変化させ、ｙ方向の注入角度分布を変化させないようにビームを調整できる。地点Ｓから地点Ｘ１へと横収束電位Ｑｘを上げていくと、ｘ方向に収束された「収束ビーム」となってｘ方向の注入角度分布の広がりが大きくなる。一方、地点Ｓから地点Ｘ２へと横収束電位Ｑｘを下げていくと、ｘ方向に発散された「発散ビーム」となってｘ方向の注入角度分布の広がりが大きくなる。
【0066】
同様に、地点Ｓから直線Ｌｙに沿って電位Ｑｘ，Ｑｙを変化させると、ｙ方向の注入角度分布のみを変化させ、ｘ方向の注入角度分布を変化させないようにビームを調整できる。地点Ｓから地点Ｙ１へと縦収束電位Ｑｙを上げていくと、ｙ方向に収束された「収束ビーム」となってｙ方向の注入角度分布の広がりが大きくなる。一方、地点Ｓから地点Ｙ２へと縦収束電位Ｑｙを下げていくと、ｙ方向に発散された「発散ビーム」となってｙ方向の注入角度分布の広がりが大きくなる。
【0067】
このようにして、三段式のレンズ装置３２ａ～３２ｃのそれぞれに印加する電位Ｑｘ，Ｑｙを一定の条件下で変化させることにより、ウェハＷに照射されるイオンビームのｘ方向およびｙ方向の注入角度分布をそれぞれ独立に制御することができる。例えば、ｘ方向の注入角度分布のみを調整したい場合、ΔＱｘ＝α・ΔＱｙの関係性が維持されるようにして直線Ｌｘの傾きに合わせて電位を変化させればよい。同様に、ｙ方向の注入角度分布のみを調整したい場合、ΔＱｘ＝β・ΔＱｙの関係性が維持されるようにして直線Ｌｙの傾きに合わせて電位を変化させればよい。なお、直線Ｌｘ，Ｌｙの傾きα，βの値は、使用するレンズ装置の光学特性に応じて適切な値が求められる。本実施の形態において、イオンビームＢの角度分布は例えば０．１度以下の精度で制御可能である。
【0068】
図１６は、基板搬送処理ユニット２０の構成を詳細に示す側面図であり、最終エネルギーフィルタ３８から下流側の構成を示す。イオンビームＢは、最終エネルギーフィルタ３８の角度エネルギーフィルタ（ＡＥＦ；Angular Energy Filter）電極６４にて下方に偏向されて基板搬送処理ユニット２０に入射する。基板搬送処理ユニット２０は、イオン注入工程が実行される注入処理室６０と、ウェハＷを搬送するための搬送機構が設けられる基板搬送部６２とを含む。注入処理室６０および基板搬送部６２は、基板搬送口６１を介してつながる。
【0069】
注入処理室６０は、１枚又は複数枚のウェハＷを保持するプラテン駆動装置４０を備える。プラテン駆動装置４０は、ウェハ保持装置４２と、往復運動機構４４と、ツイスト角調整機構４６と、チルト角調整機構４８とを含む。ウェハ保持装置４２は、ウェハＷを保持するための静電チャック等を含む。往復運動機構４４は、ビーム走査方向（ｘ方向）と直交する往復運動方向（ｙ方向）にウェハ保持装置４２を往復運動させることにより、ウェハ保持装置４２に保持されるウェハＷをｙ方向に往復運動させる。図１６において、矢印ＹによりウェハＷの往復運動を例示する。
【0070】
ツイスト角調整機構４６は、ウェハＷの回転角を調整する機構であり、ウェハ処理面の法線を軸としてウェハＷを回転させることにより、ウェハの外周部に設けられるアライメントマークと基準位置との間のツイスト角を調整する。ここで、ウェハのアライメントマークとは、ウェハの外周部に設けられるノッチやオリフラのことをいい、ウェハの結晶軸方向やウェハの周方向の角度位置の基準となるマークをいう。ツイスト角調整機構４６は、ウェハ保持装置４２と往復運動機構４４の間に設けられ、ウェハ保持装置４２とともに往復運動される。
【0071】
チルト角調整機構４８は、ウェハＷの傾きを調整する機構であり、ウェハ処理面に向かうイオンビームＢの進行方向（ｚ方向）とウェハ処理面の法線との間のチルト角を調整する。本実施の形態では、ウェハＷの傾斜角のうち、ｘ方向の軸を回転の中心軸とする角度をチルト角として調整する。チルト角調整機構４８は、往復運動機構４４と注入処理室６０の壁面の間に設けられており、往復運動機構４４を含むプラテン駆動装置４０全体をＲ方向に回転させることでウェハＷのチルト角を調整するように構成される。
【0072】
注入処理室６０には、イオンビームＢの軌道に沿って上流側から下流側に向けて、エネルギースリット６６、プラズマシャワー装置６８、ビームダンパ６３が設けられている。
【0073】
エネルギースリット６６は、ＡＥＦ電極６４の下流側に設けられ、ＡＥＦ電極６４とともにウェハＷに入射するイオンビームＢのエネルギー分析をする。エネルギースリット６６は、ビーム走査方向（ｘ方向）に横長のスリットで構成されるエネルギー制限スリット（ＥＤＳ；Energy Defining Slit）である。エネルギースリット６６は、所望のエネルギー値またはエネルギー範囲のイオンビームＢをウェハＷに向けて通過させ、それ以外のイオンビームを遮蔽する。
【0074】
プラズマシャワー装置６８は、エネルギースリット６６の下流側に位置する。プラズマシャワー装置６８は、イオンビームＢのビーム電流量に応じてイオンビームおよびウェハ処理面に低エネルギー電子を供給し、イオン注入で生じるウェハ処理面の正電荷のチャージアップを抑制する。プラズマシャワー装置６８は、例えば、イオンビームＢが通過するシャワーチューブと、シャワーチューブ内に電子を供給するプラズマ発生装置とを含む。
【0075】
ビームダンパ６３は、ビーム軌道の最下流に設けられ、例えば、基板搬送口６１の下方に取り付けられる。したがって、ビーム軌道上にウェハＷが存在しない場合、イオンビームＢはビームダンパ６３に入射する。ビームダンパ６３には、イオンビームＢを計測するためのビーム計測装置が設けられてもよい。
【0076】
温度調整装置５０は、プラテン駆動装置４０のウェハ保持装置４２に取り付けられている。温度調整装置５０は、ウェハ保持装置４２により保持されるウェハＷを加熱または冷却し、ウェハＷの温度Ｔを調整する。温度調整装置５０は、加熱装置と冷却装置の少なくとも一方を含む。加熱装置は、例えば、電熱線を備え、電熱線に電流を流して発熱させることによりウェハＷを加熱する。冷却装置は、例えば、冷媒が流れる冷却流路を含み、冷却流路を流れる冷媒を通じてウェハＷを冷却する。温度調整装置５０は、ウェハＷの温度Ｔを計測するための温度計測器を含んでもよく、温度計測器で計測されるウェハＷの温度が所望の温度となるようにウェハＷを加熱または冷却する。
【0077】
温度調整装置５０は、ウェハ保持装置４２とは異なる位置に設けられてもよい。例えば、プラズマシャワー装置６８の出口付近に発熱体を配置し、発熱体からの輻射熱を利用してウェハＷを加熱してもよい。また、温度調整装置５０は、注入処理室６０に至るウェハＷの搬送経路の途中に設けられてもよく、注入処理室６０とは異なる準備室内に設けられてもよい。さらに、ウェハ保持装置４２に設けられる温度調整装置５０と、ウェハ保持装置４２とは異なる位置に設けられる別の温度調整装置とを併用してウェハＷの温度を調整してもよい。
【0078】
図１７は、ウェハ保持装置４２にウェハＷ’を搬入する工程を模式的に示す側面図である。図１７では、基板搬送部６２との間でウェハを搬入または搬出するための搬出入位置に配置されるウェハＷ’を実線で示し、注入処理室６０の内部でウェハにイオンビームＢが照射される注入位置に配置される場合のウェハＷを破線で示している。プラテン駆動装置４０は、主にチルト角調整機構４８によるＲ方向の回転移動と、往復運動機構４４によるＹ方向の直線移動とを組み合わせることにより、ウェハＷ，Ｗ’を注入位置と搬出入位置との間で移動させる。搬出入位置にあるウェハＷ’は、基板搬送部６２に設けられる基板搬送ロボット５８により基板搬送口６１を通じて搬入または搬出される。
【0079】
図１８（ａ）、（ｂ）は、イオンビームＢの入射方向に対するウェハＷの向きを模式的に示す図である。図１８（ａ）は、イオンビームＢの入射方向（ｚ方向）に対してウェハＷを傾けることによりチルト角θを設定した状態を示す。チルト角θは、図示されるように、ｘ軸周りにウェハＷを回転させたときの回転角として設定される。チルト角θ＝０°となる状態は、ウェハＷにイオンビームＢが垂直に入射する場合である。図１８（ｂ）は、ウェハ主面に垂直な軸周りにウェハＷを回転させることによりツイスト角φを設定した状態を示す。ツイスト角φは、図示されるように、ウェハ主面に垂直な軸周りにウェハＷを回転させたときの回転角として設定される。ツイスト角φ＝０°となる状態は、ウェハＷの中心ＯからアライメントマークＭに延びる線分がｙ方向と一致する場合である。イオンビームＢに対するウェハＷの配置として、チルト角θおよびツイスト角φを適切に設定することにより所定のチャネリング条件を実現することができる。
【0080】
図１９（ａ）、（ｂ）は、イオン注入処理の対象となるウェハを模式的に示す図である。図１９（ａ）は、ウェハＷの結晶方位を示し、図１９（ｂ）は、ウェハＷの表面近傍の原子配列を示す。注入対象となるウェハＷとして、ウェハ主面の面方位が（１００）面である単結晶シリコン基板を用いることができる。ウェハＷのアライメントマークＭは、＜１１０＞方位を示す位置に設けられる。
【0081】
図２０（ａ）～（ｃ）は、ウェハＷの向きとウェハＷの表面近傍の原子配列との関係を模式的に示す図である。本図は、ウェハＷの表面近傍の原子配列を模式的に示す図であり、ウェハＷに入射するイオンビームＢから見た原子配列を示す。本図では、シリコン原子の位置を黒丸で示している。また、奥行き方向（ｚ方向）に異なる位置にあるシリコン原子をｘｙ面内に重ねて描いている。
【0082】
図２０（ａ）は、軸チャネリング条件を満たすように配置された場合の原子配列を示し、ウェハＷをツイスト角φ＝２３°、チルト角θ＝０°の向きで配置した場合を示す。図示する軸チャネリング条件では、実線上に配置されるシリコン原子により形成される複数の第１結晶面９６と、破線上に配置されるシリコン原子により形成される複数の第２結晶面９７とが互いに交差して格子状に配列され、イオンが注入される方向に沿って一次元的に延びる軸状の隙間である「軸チャネル（axial channel）」９５が形成される。その結果、ｘ方向およびｙ方向の少なくとも一方に角度分布を有するイオンビームは、ｚ方向に直進するイオン粒子のみがチャネリングし、ｚ方向からある程度ずれた角度成分を有するイオン粒子はいずれかの結晶面に遮られてチャネリングしない。したがって、軸チャネリング条件を満たすように配置されるウェハＷは、イオンビームＢの入射方向に沿って軸方向に進むイオン粒子をチャネリングさせる「軸チャネリング」を生じさせる。
【0083】
軸チャネリング条件を満たす配置は、上述のツイスト角およびチルト角の設定に限られず、図示するような原子配列が実現されるようなウェハ配置であれば、他のツイスト角およびチルト角を用いてもよい。軸チャネリング条件を実現するために、例えば、ウェハＷのツイスト角φを実質的に１５度～３０度の範囲内とし、チルト角θを実質的に０度としてもよい。
【0084】
図２０（ｂ）は、面チャネリング条件を満たすように配置された場合の原子配列を示し、ウェハＷをツイスト角φ＝０°、チルト角θ＝１５°の向きで配置した場合を示す。図示する面チャネリング条件では、ｙｚ平面内に配列されたシリコン原子による複数の結晶面９９が形成され、ｘ方向に対向する結晶面９９の間に二次元的な広がりを有する隙間である「面チャネル（planar channel)」９８が形成される。その結果、ｘ方向に角度分布を有するイオンビームは、ｚ方向に直進する一部のイオン粒子のみがチャネリングし、ｘ方向にある程度ずれた角度成分を有するイオン粒子は結晶面９９に遮られてチャネリングしない。一方、ｙ方向に角度分布を有するイオンビームは、結晶面９９に遮られることなく結晶面間の隙間をチャネリングする。したがって、面チャネリング条件を満たすように配置されるウェハは、主としてイオンビームＢの入射方向に沿うｚ方向とｙ方向の双方により規定される基準面に沿って進むイオン粒子をチャネリングさせる「面チャネリング」を生じさせる。よって、面チャネリング条件を満たすように配置されたウェハに対してイオンビームを照射すると、ｘ方向に角度成分を有するイオン粒子はチャネリングせず、ｙ方向に角度成分を有するイオン粒子はチャネリングするという方向依存性が生じる。
【0085】
面チャネリング条件を満たす配置は、上述のツイスト角およびチルト角の設定に限られず、図示されるような原子配列が実現可能なウェハ配置であれば、他のツイスト角およびチルト角を用いてもよい。面チャネリング条件を実現するために、例えば、ウェハＷのツイスト角φを実質的に０度または４５度とし、チルト角θを実質的に１５度～６０度の範囲内としてもよい。
【0086】
図２０（ｃ）は、オフチャネリング条件を満たすように配置された場合の原子配列を示し、上述のウェハＷをツイスト角φ＝２３°、チルト角θ＝７°の向きで配置した場合を示す。図示されるオフチャネリング条件では、イオン粒子の通り道となるチャネルが見えず、シリコン原子がｘ方向およびｙ方向に隙間なく配置されているように見える。その結果、オフチャネリング条件を満たすウェハに向けてイオンビームを照射すると、ビームを構成するイオン粒子がｘ方向およびｙ方向の角度成分を有するか否かに拘わらず、チャネリング現象が生じないオフチャネリング状態になる。
【0087】
オフチャネリング条件を満たす配置は、上述のツイスト角およびチルト角の設定に限られず、図示されるような原子配列が実現可能なウェハ配置であれば、他のツイスト角およびチルト角を用いてもよい。より具体的には、ウェハの｛１００｝面、｛１１０｝面、｛１１１｝面などの低次の結晶面がイオンビームの基準軌道と斜めに交差するような向きにウェハＷが配置されれば、他の角度条件が用いられてもよい。オフチャネリング条件を実現するために、例えば、ウェハＷのツイスト角φを実質的に１５度～３０度の範囲内とし、チルト角θを実質的に７度～１５度の範囲内としてもよい。
【0088】
本実施の形態では、「所定のチャネリング条件を満たす」ウェハの配置として、図２０（ａ）に示される軸チャネリング条件を用いることができる。図２０（ａ）の配置では、チルト角θ＝０°であるため、ウェハ表面に厚いマスクを形成する場合であっても、ウェハ表面に対して直交する方向にイオンビームＢを入射させ、マスクの開口部に対応する箇所に精度良くイオンを注入することができる。なお、半導体デバイス製造のための注入プロセスとして、図２０（ａ）に示されるような軸チャネリング条件を用いた注入工程のみを実行してもよいし、図２０（ｂ）に示されるような面チャネリング条件を用いる注入工程や図２０（ｃ）に示されるようなオフチャネリング条件を用いる注入工程を追加的に組み合わせて実行してもよい。
【0089】
図２１は、実施の形態に係るイオン注入方法の流れを示すフローチャートである。まず、ウェハＷに照射すべきイオンビームＢのエネルギーを調整する（Ｓ１０）。例えば、高エネルギー多段線形加速ユニット１４の動作を制御することで、イオンビームＢのエネルギーを調整できる。つづいて、ウェハＷに照射すべきイオンイオンビームＢの角度分布を調整する（Ｓ１２）。例えば、ビーム整形器３２のレンズ装置３２ａ～３２ｃの電位Ｑｘ，Ｑｙを変化させることで、イオンビームＢの角度分布を調整できる。このとき、イオンビームＢのエネルギーおよびイオン種に応じたチャネリングの臨界角θＣ以下の角度分布が実現されるようにビームの角度特性を調整してもよい。
【0090】
次に、注入対象のウェハＷを注入処理室６０に搬送してウェハ保持装置４２に固定し、温度調整装置５０を用いてウェハＷの温度を調整する（Ｓ１４）。このとき、ウェハＷが所望の温度となるように温度調整装置５０を用いてウェハＷを加熱または冷却することができる。なお、室温での注入処理をする場合や、すでにウェハＷが所望の温度に調整されている場合には、ウェハＷを加熱または冷却しなくてもよい。つづいて、ツイスト角調整機構４６およびチルト角調整機構４８を用いてウェハＷの向きを調整し、所望のチャネリング条件が満たされるようにする（Ｓ１６）。なお、Ｓ１４の温度調整工程とＳ１６の向き調整工程は、順序が前後してもよいし、同時並行して実行されてもよい。
【0091】
次に、温度および向きが調整されたウェハＷにイオンビームＢを照射し、イオン注入処理を実行する（Ｓ１８）。Ｓ１８のイオン注入処理工程の実行中にウェハＷの温度調整を同時並行して実行してもよく、例えば、ウェハＷを加熱または冷却しながらイオンビームＢをウェハＷに照射してもよい。また、イオンビームＢの照射によりウェハＷに与えられるパワーを利用してウェハＷを加熱してもよい。例えば、ウェハＷを高温注入する場合、ビーム照射前は温度調整装置５０を用いてウェハＷを加熱し、ビーム照射中はビームのパワーを利用してウェハＷを加熱してもよい。ビーム照射中に温度調整装置５０による加熱を併用してもよいし、ビームのパワーによってウェハＷが過度に加熱される場合には温度調整装置５０による冷却を併用してもよい。その他、ビームのパワーによる加熱を抑制するため、温度調整装置５０による冷却を通じてウェハＷの温度がビームの照射中にわたって一定に維持されるようにしてもよい。
【0092】
つづいて、追加のイオンビームＢの照射の必要があれば（Ｓ２０のＹ）、Ｓ１０～Ｓ１８の処理を再度実行する。例えば、図１１（ａ）～（ｃ）および図１２（ａ）～（ｃ）にて例示したように、イオンビームＢのエネルギーやウェハＷの温度Ｔを変化させて複数回の注入処理をする場合、各回の注入条件を変えてＳ１０～Ｓ１８の処理を実行する。このときに変化させる注入条件には、イオンビームＢのイオン種、エネルギー、ドーズ量、角度分布、ウェハＷのチルト角θ、ツイスト角φ、温度Ｔなどが含まれる。一方、追加のイオンビームＢの照射の必要がなければ（Ｓ２０のＮ）、本フローを終了する。
【0093】
複数回の注入処理では、ウェハ温度Ｔの条件が室温（２７℃、３００Ｋ）付近を含むように設定されてもよい。複数回の注入処理の全てでウェハ温度Ｔが室温以下となるように条件が設定されてもよく、例えば、－２００℃～２７℃の範囲で温度条件を変化させてもよい。具体的な一例を挙げれば、－１９６℃（７７Ｋ）、－１２３℃（１５０Ｋ）、－７３℃（２００Ｋ）、－２３℃（２５０Ｋ）、２７℃（３００Ｋ）程度の温度を設定してもよい。一方、複数回の注入処理の全てでウェハ温度Ｔが室温以上となるように条件が設定されてもよく、例えば、２７℃～５００℃の範囲で温度条件を変化させてもよい。具体的な一例を挙げれば、２７℃（３００Ｋ）、１２７℃（４００Ｋ）、２２７℃（５００Ｋ）、３２７℃（６００Ｋ）、４２７℃（７００Ｋ）、５００℃（７７３Ｋ）程度の温度を設定してもよい。また、室温未満および室温以上の双方の温度を含めてもよく、－２００℃～５００℃の範囲で温度条件を変化させてもよい。
【0094】
複数回の注入処理では、ウェハ温度Ｔだけではなく、イオンビームＢの角度分布を微調整することで注入プロファイルを制御してもよく、イオンビームＢの角度分布の平均値（平均角度）と分散値（発散／収束角度）の少なくとも一方を微調整してもよい。例えば、複数回の注入処理において、ウェハＷの結晶軸Ｃに対するイオンビームＢの角度分布の平均値を臨界角θＣ未満または臨界角θＣ以上の範囲内で０．１度以上変化させてもよく、具体的な一例を挙げれば、０．１度、０．３度、０．５度、０．８度、１度、１．５度、２度、２．５度、３度、３．５度、５度、７度などに設定してもよい。ウェハＷに対する角度分布の平均値は、チルト角調整機構４８により調整できる。また、イオンビームＢの角度分布の分散値を０．１度刻みで調整してもよい。イオンビームＢの角度分布の分散値は、ビーム整形器３２により調整できる。
【0095】
なお、イオンビームＢのエネルギーやウェハＷの温度Ｔを変化させて複数回の注入処理をする場合、１枚のウェハＷに対して連続的に複数回の注入処理がなされなくてもよい。例えば、大量生産のために多数のウェハＷに対して同一条件の複数回の注入処理がなされる場合、第１条件を用いる第１注入工程を複数枚のウェハに対して連続的に実行し、その後、イオン注入装置１００の設定を第１条件から第２条件に変更し、第２条件を用いる第２注入工程を複数枚のウェハに対して連続的に実行してもよい。
【0096】
また、ウェハＷの温度を調整する工程は、ウェハＷの搬送工程の途中で実行されてもよい。例えば、図１７にて説明したように、注入処理室６０に搬入されたウェハＷ’は、プラテン駆動装置４０を駆動させることにより搬出入位置から注入位置まで移動させる必要がある。また、注入位置に配置されたウェハＷは、チルト角θやツイスト角φを調整させる必要もある。このような注入処理室６０内での準備工程の実行中にウェハＷを所望の温度に加熱または冷却することで、温度調整に必要な追加の作業時間を低減または削減することができ、イオン注入工程のスループットの低下を抑制することができる。
【0097】
さらに、ウェハＷの温度を調整する工程は、注入処理室６０とは異なる準備室内で実行されてもよい。例えば、基板搬送部６２に温度調整のための準備室を設け、準備室内に設置される温度調整装置を用いてウェハＷを加熱または冷却してもよい。その他、基板搬送ロボット５８などに温度調整装置を設け、基板搬送ロボット５８にて搬送中のウェハＷを加熱または冷却できるようにしてもよい。注入処理室６０とは異なる場所においてのみウェハＷを加熱または冷却できるようにしてもよいし、注入処理室６０とは異なる場所でのウェハＷの温度調整と、注入処理室６０内での温度調整とが組み合わされてもよい。さらに、温度調整装置５０を用いてウェハＷを積極的に冷却するのではなく、ウェハの周辺環境との温度差によるウェハＷからの熱放散を利用してウェハＷを冷却して温度を調整してもよい。
【0098】
以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれ得る。
【0099】
上述の実施の形態では、厚さｔの大きいマスク８０の上からイオンビームＢを照射してアイソレーション注入やフォトダイオード注入を実行する場合を例示して説明した。本実施の形態は上述の用途に限られず、例えば、パワーデバイス等に用いられるトレンチ型のｐｎ接合構造の形成や、ロジック回路等に用いられるトレンチ型またはプレーナ型のｐｎ接合構造の形成などにも適用可能である。この場合、ウェハ表面に設けられる電極層や絶縁層などをマスクとしてイオン注入が実行されてもよい。
【0100】
上述の実施の形態では、注入されるイオンの注入プロファイルの制御について説明した。本実施の形態は、イオン注入により生じるウェハ内のダメージ（欠陥）のプロファイル制御にも同様に適用できる。
【符号の説明】
【0101】
１０…イオンソース、１２…イオンビーム生成ユニット、１４…高エネルギー多段線形加速ユニット、１８…ビーム輸送ラインユニット、２０…基板搬送処理ユニット、４０…プラテン駆動装置、４２…ウェハ保持装置、４４…往復運動機構、４６…ツイスト角調整機構、４８…チルト角調整機構、５０…温度調整装置、６０…注入処理室、６２…基板搬送部、１００…イオン注入装置、Ｗ…ウェハ。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】