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注入角とツイストとは

THEME 03 トランジスタ形成 · 不純物と熱の作り込みTilt and Twist Angle
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注入角とツイストとは、イオンビームに対するウェーハの向きを、法線からの傾きを表すティルト角と、ノッチを基準にした回転を表すツイスト角の2つで与える設定です。 ティルト角を7度と書いた段階では、向きは法線まわりの円錐の側面に広がったままです。ツイスト角を与えて、はじめて1本に確定します。ただし、レシピの角度がそのまま結晶への入射角になるわけではありません。ビームの走査、ウェーハの保持、結晶の向きという別々の系の誤差が重なります。ハロー注入ではこの角度精度がしきい値電圧のばらつきを決める要因になり、要求は0.1度の桁まで締まっています。

ティルト角で円錐まで、ツイスト角で1本に決まる

Section titled “ティルト角で円錐まで、ツイスト角で1本に決まる”
ティルト角とツイスト角
ティルト角 7度法線イオンビーム7度で開く円錐基準（ビームから見て下）ノッチツイスト角ウェーハ
ティルト角だけでは、ビームは法線のまわりに7度で開く円錐の側面のどこかから入ります。ツイスト角は、ビームから見て下側に置いた基準からノッチを反時計まわりに回した角度で表すことが多く、これが入る方位を1本に決めます。

ティルト角は1、ウェーハ中心に立てたウェーハ面の法線とイオンビームが交差する角度です。ツイスト角は2、オリエンテーションフラット（オリフラ）かノッチを基準に、ウェーハを一定の角度に回転させた角度です。実際の装置では、ターゲットチャンバーでオリフラかノッチをイオンビームから見て下側に置き、ビームから見てウェーハを反時計まわりに回した角度で配置を表すことが多い2とされています。レシピのツイスト角が0度か180度かで、同じチップの同じトランジスタでも、ビームが当たる側が反対になります。

イオン注入では結晶軸とイオンビームの方向を所定の角度に設定する必要があり、その角度はティルト角とツイスト角の2つで決まります。ツイスト角を合わせるのがオリフラ合わせ機構です3。ウェーハを保持したまま回転と直線運動を行い、光学センサーでオリフラやノッチの位置を検出して基準に合わせます。

実際の入射角は、ウェーハ側3つ、ビーム側3つ、結晶の向きで決まる

Section titled “実際の入射角は、ウェーハ側3つ、ビーム側3つ、結晶の向きで決まる”

レシピに書いた角度は、ウェーハを保持するプラテンの姿勢です。注入角度は、ウェーハとビームのあいだのさまざまな角度の組み合わせで決まります4。ウェーハの機械的な位置としてはチルト角、Yチルト角、ツイスト角、イオンビームの方向としてはビームの入射角、ビーム発散角、ビーム平行度があります。ウェーハの機械的な位置の角度精度は搬送系と注入用の駆動ユニットで、ビームの方向の角度精度は輸送制御システムで決まります4。ビーム側は、ビーム計測系による平行度測定などで確かめられます。この6つは別々の系で管理されるので、面内で角度がずれたときは、まずウェーハ側かビーム側かを切り分けます。

3つ目の誤差源は、ウェーハそのものです。チャネリング注入ではウェーハの結晶格子軸の角度に対して正確にイオンを注入する必要がありますが、結晶格子軸の角度はウェーハごとにばらつき5、量産への実装で大きな懸念になっていました。そこで日新電機は、各ウェーハの結晶格子軸の角度をX線回折装置（XRD）で測り、注入角度にフィードフォワードするシステムを開発しました。SiCパワーデバイス向けのIMPHEAT-IIに搭載し、パワーデバイスメーカーに納入しています。プラテンの角度を0.1度で管理しても、結晶の向きがずれていれば、チャネリングの深さはウェーハごとに変わります。

ビームの走査方式が、面内の2〜3度の角度差を決める

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角度スキャンと平行ビーム
角度スキャン走査ウェーハ中心と周辺で2〜3度の差平行ビーム走査コリメータウェーハどの位置でも同じ角度
扇形に振ったビームをそのまま当てると、ウェーハの中心と周辺で入射角が2〜3度違います。コリメータで平行にそろえれば、どの位置でも一定の角度で注入できます。

ビーム側の寄与は、走査方式で大きく変わります。通常のイオン注入では、ビームの静電走査機構のため、ウェーハ中心と周辺部で入射角度が2度から3度異なります6。高エネルギー装置NH-40SRでは、角度スキャンによる面内の注入角度差を、先行機NH-20SRと同じ2.3度に保っています。2度の差を7度のティルトに当てはめると、ウェーハの端では9度や5度で入っていることがありえます。

平行ビームは、この面内の角度差を縮める方式です。ウェーハ上の全ての位置で、ウェーハに対して一定の角度で注入できるよう、平行なイオンビームを使います7。作り方には電場または磁場スキャンとコリメータを組み合わせる方法などがあり、最近の中電流イオン注入装置では主流です。コリメータは8、走査で角度を持ったイオンビームを入射角の大小に応じて偏向し、どの角度のビームも一定の方向に平行に出す部品です。平行ビームを使わず、走査したビームをそのまま注入する方式はアンギュラースキャン（角度スキャン）と呼ばれます。

要求精度は0.5度から0.1度へ締まり、その理由はハロー注入にある

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ゲート電極をマスクにした斜め注入
ゲート電極Si基板ハローツイスト0度ツイスト180度チャネル端
ハローはゲート電極を作った後の斜め注入で、ゲート電極そのものをマスクにしてチャネル端へ入れます。ビームの角度がそのまま不純物の位置になり、しきい値電圧Vtのばらつきとして現れます。

日新電機は、2010年にリリースしたEXCEED3000AH-Evoの世代で、デバイス微細化の進行に伴い、注入角度精度はそれまでの0.5度では足りなくなり、0.1度の保証が必須になったとしています6。注入角度計測システムのX-Yモニタの計測結果をフィードバックし、注入角度を0.1度の精度で補正する垂直方向角度補正（VICF）と水平方向角度補正（HICF）も開発しました。

ウェーハ側にも同じ桁の管理が入ります。日新イオン機器は、注入角度精度はプラテン上のウェーハのチルト角とツイスト角の再現性まで含めて決まるとし9、プラテン上部に取り付けたCCDカメラでウェーハ位置を検知して、±0.1度以内のフィードバック制御が可能だとしています。

精度を上げる理由はハロー注入にあります。中電流プロセスでは、ハロー注入の角度精度がしきい値電圧Vtのばらつきを決める要因なので、最も高精度な注入角度制御が求められます9。ハロー構造は、ゲート電極を作った後に斜めイオン注入を行うことでセルフアラインに形成できます10。ゲート電極自体をマスクに使うので、ビームの角度がそのままチャネル端の不純物分布になり、しきい値電圧に現れます。エクステンションを使う世代では、この角度が接合の作り込みに直結します。

調整できるのは、ティルト角・分割数・走査方式・回転範囲で、どれも代償がある

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最初に調整するのはティルト角です。大きくするほどチャネリングの裾は縮みます。注入角度は、チャネリングを避けるためにウェーハの結晶方向と違う角度に設定する必要があり、垂直から7度程度傾けることが多いです11。小さくするほどシャドウイングの影は狭くなり、マスク開口の全面にイオンが届きます。7度は、この2つの兼ね合いで選ばれる値です。

第二はツイスト角の分割数です。ウェーハに傾斜をつけてイオン注入する技術は、トレンチの側壁やゲート電極下のチャネル端へ不純物を導入するために使われます12。一方向からの注入のみでは非対称性が発生するため、ツイスト角を変化させて注入するステップ注入が用いられます12。分割数を増やすほど左右の非対称は縮み、代わりに1枚あたりの注入時間が分割数だけ伸びます。

第三は走査方式です。平行ビームにすれば面内の角度差は縮み、代わりにコリメータの分だけビームラインが伸びます。角度スキャンのままなら装置は短く済み、面内に2度前後の角度差を抱えたまま流すことになります。

第四はプラテンの回転範囲です。日新イオン機器は、中電流イオン注入装置が枚葉式のエンドステーションを備え、その回転注入機構により高精度かつ広範囲の注入角度で注入が行えることを特徴とし13、立体構造の注入分布制御に用いられるとしています。FinFETやGAAのような立体構造では、この回転範囲がそのまま設計の自由度になります。住友重機械工業の技報は、統合型イオン注入装置SAionを、FinFETやGAAのような立体的構造の製造に必要とされるパーティクル低減やドーズ精度を満たし、ビーム角度や発散角制御などの品質面でも優れた装置14だとしています。210キロエレクトロンボルトまでのビーム電流を中電流機比で従来の2倍以上に増強し、メカニカルスループット500枚毎時を達成したともしています。

角度は、電気特性とビームの角度分布で確かめる

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角度を毎ロット測る代わりに、角度が変わった結果を電気特性で捉えるほうが、日々のQCは速く回ります。特定の注入条件とウェーハの種類を使えば、注入ドーズ量を監視できる検査・測定システムで注入角度の影響を定量的に把握できます4。

面内のばらつきは均一性として管理します。注入均一性はウェーハ面内に注入されたイオンの分布の均一さで15、シート抵抗やダメージ測定などで測ります。同じ注入条件で流した複数のウェーハ間の再現性は、ウェーハ間注入均一性と呼ばれます。測定は四探針法です。

装置側で直接見るのは、ビームの角度分布です。ウェーハの前方と後方に取り付けたフロントファラデーとバックファラデーで、ビーム走査によるビーム電流の積算分布をそれぞれ測り9、ウェーハ位置での水平方向の注入量分布を求めます。同時に、ビームの平行度と方向角分布も測れます。X-Yモニタでは、ファラデーとスリットを垂直方向にサーボ駆動して、垂直方向のビーム方向角分布と広がり角分布も測れるようにしています。角度の異常は、シート抵抗より先にこの分布に現れます。

よくある質問（FAQ）

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注入角とツイストとは何ですか？

イオンビームに対するウェーハの向きを、法線からの傾きを表すティルト角と、ノッチを基準にした回転を表すツイスト角の2つで与える設定です。ティルト角はウェーハ中心に立てた法線とイオンビームが交差する角度、ツイスト角はオリフラかノッチを基準にウェーハを一定の角度へ回転させた角度です。

ティルト角を指定した段階では、向きはどこまで絞られますか？

法線を軸とする円錐の側面のどこかまでしか決まりません。円錐のどの方位から入るかを決めるのがツイスト角です。実際の装置では、ターゲットチャンバーでオリフラかノッチをイオンビームから見て下側に置き、そこからウェーハを反時計まわりに回した角度で配置を表すことが多いです。

レシピの角度と、結晶へ入る角度はどれくらいずれますか？

ビームを静電走査する通常のイオン注入では、イオンのウェーハに対する入射角度がウェーハ中心と周辺部で2度から3度異なります。高エネルギー装置NH-40SRでも、角度スキャンに由来するウェーハ面内の注入角度差は先行機NH-20SRと同じ2.3度に保たれています。

注入角度精度はどこまで詰められていますか？

デバイス微細化に伴い、注入角度精度は0.5度では足りなくなり、0.1度の保証が必須になりました。X-Yモニタの計測結果をフィードバックして0.1度の精度で補正する垂直方向角度補正（VICF）と水平方向角度補正（HICF）が開発され、日新イオン機器はプラテン上部のCCDカメラでウェーハ位置を検知して±0.1度以内のフィードバック制御が可能だとしています。

なぜ角度精度がデバイス特性へ直接ひびくのですか？

斜め注入で作る層が、ゲート電極そのものをマスクにして決まるためです。ハロー構造はゲート電極形成後の斜めイオン注入でセルフアラインに形成できます。中電流プロセスではハロー注入の角度精度がしきい値電圧Vtのばらつき量を決める要因なので、最も高精度の注入角度制御が要求されます。

角度を大きくすると、何が悪化しますか？

パターンの対称性とスループットです。一方向からの注入だけでは非対称になるので、ツイスト角を変えて注入するステップ注入を使い、分割数の分だけ1枚あたりの注入時間が伸びます。角度を小さく戻せば時間は縮み、そのぶんチャネリングの臨界角へ近づきます。

結晶の側にも角度のばらつきがありますか？

あります。チャネリング注入では結晶格子軸の角度に対して正確にイオンを注入する必要がある一方、結晶格子軸の角度はウェーハごとにばらつき、量産への実装で大きな懸念になっていました。各ウェーハの結晶格子軸の角度をX線回折装置（XRD）で測って注入角度へフィードフォワードするシステムが開発され、SiCパワーデバイス向けのIMPHEAT-IIへ搭載されています。

比較・違いを学ぶ

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出典

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