JP3371753B2 - イオン注入装置 - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウェファ、
ガラス基板などのような大型の加工品に、大電流イオン
注入を実現するためのイオン注入装置に関する。Ｓｉウ
ェファの場合は、ボロン、リン、ヒ素などｐ型、ｎ型不
純物をドープするためにイオン注入することが多い。ス
ループットを上げるために、一様な注入分布でしかも高
速でドープする装置が望まれる。さらに水素イオンなど
が注入されると温度が過度に上がるなどの悪影響がある
から水素イオンなどを除去することが望ましい。 【０００２】 【従来の技術】従来の大電流イオン注入装置は大別して
ふたつの種類がある。ひとつは、細い（０次元の広が
り）高密度のイオンビームを扇形マグネットによって質
量分析し所望のイオン種のみを、回転並進運動する回転
ターゲットに戴置されている加工品（ウェファ）に照射
するものである。細いイオンビームであるから扇形磁石
によって質量分離するのは簡単である。しかしビーム自
体は広がりを持たないので、ウェファの全面に照射する
ために、ウェファを並進、回転させる必要がある。ウェ
ファを支持するエンドステーション側で２次元的にウェ
ファを動かす必要がある。 【０００３】もうひとつは大口径のイオン源から大口径
イオンビームを引き出し質量分析せずにウェファに照射
するものである。ウェファの直径をＷとし、イオン源か
ら引き出されたイオンビームの直径をＤとする。Ｄ＞Ｗ
の大口径のイオンビームを発生させるので、ウェファを
走査する必要がない。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】 １．回転ターゲットを用いる方式では、細い０次元ビー
ムを発生させるのでビーム光学系は単純である。しかし
回転並進を行わせなければならないエンドステーション
の構造は複雑である。ウェファを戴置したディスクは高
速回転と、イオンビーム電流に比例しビーム位置に反比
例するような並進速度制御を行わなければならない。又
ウェファでのビーム電流密度が高くなるとウェファのチ
ャージアップ現象が著しくなる。チャージアップは、正
または負のイオンビームを注入したとき電荷が逃げず、
電荷がウェファなどの表面に蓄積される現象である。こ
れによってウェファの表面のデバイスが破壊されること
もあり望ましくない。現在大口径ウェファにイオン注入
する方法として、現実的に利用されているのはこの回転
ターゲット方式であるが、このような欠点がある。 【０００５】２．大口径イオン源非質量分離方式はビー
ム光学系はイオン引き出し系だけであるあるから装置構
成はいっそう単純である。エンドステーションの構造も
単純である。しかし大口径イオンビームは質量分析する
ことができないので、所望イオン以外のイオン種も区別
されずウェファに注入されてしまう。不純物イオンの注
入によって所望の特性が得られない事がある。さらにイ
オンでなく分子の形でも注入されるので注入深さ分布が
プラズマの状態によって変化する。注入深さが一定しに
くいのでデバイス特性が一定しにくいという難点もあ
る。 【０００６】後者に関しては、例えば、ボロンの注入を
行う場合、ジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ）が原料ガスとして用い
られる。この際ボロンとともに水素イオンもウェファに
注入される。注入された水素は高速であるからゲート酸
化膜を突き抜けチャンネル層にまで注入される場合があ
る。これがゲート電極下方でのチャンネルに格子欠陥を
生じさせることがある。イオンエネルギーは全て熱に変
換されるが所望のイオン種以外のイオン（例えば水素イ
オン）が注入されるとそれによって試料が過熱されてし
まう。温度上昇によって試料上のデバイスが破壊される
惧れがある。 【０００７】３．大口径イオン源方式の難点はそれだけ
ではない。８インチウェファや１２インチウェファとい
った大面積の基板にイオン注入しようとする場合、ウェ
ファ面上いたるところで数％以内の注入均一性が要求さ
れる。このような大面積でビームの密度均一性あるイオ
ン源を実現するのは至難の技である。大口径イオン源は
現在のところ注入均一性要求の厳しくない小面積のウェ
ファにしか使えない。 【０００８】４．質量分析しないイオン注入法としてさ
らに、ＰＩＩＩ法（Plasma ImmersionIon Implantation
）というものが提案されている。Shu Qin and Chung C
han,"Plasma immersion ion implantaion doping exper
iments for microelectronics", J.Vac.Sci.Technol. B
12(2), (1994) p962 。これはＳｉウェファをプラズマ
中にさらし、ウェファに負の電圧を印加することによっ
てシース領域でイオンを加速しウェファに注入する方法
である。イオンビームを引き出すのにシース電圧を使っ
ているので引出電極が不要である。多くの場合、不純物
は電極がスパッタリングされたものである。この方法で
は電極から発生する不純物の混入の可能性がない。だか
ら質量分析をしなくても良いというわけである。 【０００９】しかし原料ガスが含む元素から出る不要イ
オンを除く事はできない。前記のボロンドーピングの場
合は、原料ガスとしてジボランを使うが、水素イオンが
ウェファに注入される。水素イオンもボロンイオンも同
じ加速エネルギーを持つ。水素イオン注入によってウェ
ファが過熱される。スループットを上げるために注入時
間を短縮すると水素注入による温度上昇が著しくなる。
だから注入時間を余り短くできない。ウェファ１枚に、
１０分掛かって１．９×１０15ｃｍ-2の密度のイオン注
入をした事が報告されている。これではスループットが
低すぎる。１枚１分以内でイオン注入したいものであ
る。実際この方法は実用化されていないようである。 【００１０】５．これまでに、０次元ビーム（断面が
点）のビームを質量分析し二次元走査されるウェファに
ビーム注入する方法と、大口径の２次元ビーム（断面が
広い円形）のビームを質量分析しないで静止したウェフ
ァに注入する方法と、イオン源を使わずプラズマ中のウ
ェファにイオン注入するＰＩＩＩ法とを説明した。２番
目の大口径イオンビーム法において質量分析できれば問
題は解決されるはずである。しかし大口径ビームを質量
分析しようとする試みはいまだ実現していない。 【００１１】質量分離をして水素などの軽元素を除去す
ることのできるイオン注入装置を提供することが本発明
の第１の目的である。同じ元素をドープする事ができる
異種イオンもイオン注入できるようにしたイオン利用率
の高いイオン注入装置を提供することが本発明の第２の
目的である。スループットの高いイオン注入装置を提供
することが本発明の第３の目的である。 【００１２】第１の目的と第２の目的は共通するものが
ある。原料ガスがプラズマになると多様なイオンが生成
されるが、ある元素を含むものであればそれら全部をイ
オン注入してガスを有効に利用することを目指すのであ
る。ただ水素だけを含む軽イオン（Ｈ+ 、Ｈ2 +、Ｈ3 +）
は除去する必要がある。これはｐ型不純物又はｎ型不純
物をドープするという本来の目的に沿うものでない。そ
れに水素イオン注入によってウェファの温度が上がりす
ぎる。それで軽イオン（最大でＨ3 +）だけを排除するよ
うな折衷的な質量分析をおこなう。 【００１３】質量分析に関しては、様々の要求がある。
厳格にただ１種類のイオンだけを注入するべきであると
するものもある。反対に質量分析は不要だとするものも
ある。本発明はこれらのうちでは中間的なものである。
目的とする元素を含むものであればどのイオン種でもみ
んな注入され、目的とする元素を含まない水素だけから
なるものは排除しようとするのである。 【００１４】例えば、シリコンウェファにｎ型不純物と
してＰをドープする場合、原料ガスをＰＨ3 とするが、
これはＰ+ 、ＰＨ+ 、ＰＨ2 +、Ｈ+ 、Ｈ2 +、Ｈ3 +などの
イオンを生ずる。本発明はこのうち、Ｈ+ 、Ｈ2 +、Ｈ3 +
を除き、そのほかのイオンは全て試料に注入するように
するものである。Ｐの化合物のイオンであれば注入のあ
と、やがてＨが抜けてｎ型不純物になるから無駄でない
のである。つまり本発明の質量分析は、ある閾値Ｍ0 よ
り小さい質量Ｍのイオン（Ｍ＜Ｍ0 ）は排除し、閾値よ
り大きい質量Ｍのイオンは全て（Ｍ＞Ｍ0 ）選択するも
のである。 【００１５】 【課題を解決するための手段】対象となる試料直径Ｗよ
り小さい横幅２ｄと、直径ｗより大きい縦幅Ｔをもつ縦
長のイオンビームを生成するイオン源と、縦長イオンビ
ームの通路を有する縦長のヨークと、ヨークの中央部に
巻かれた主コイルＭ１、Ｍ２と、主コイルに並んでヨー
クの一方の端部に巻かれた第１補助コイルＡ１、Ａ２
と、主コイルと並んでヨークの他方の端部に巻かれた第
２補助コイルＢ１、Ｂ２とよりなり縦方向に磁場を発生
する縦長の質量分析磁石と、質量分析磁石によって分離
された軽イオンを遮断するシャッタと、質量分析磁石に
よって分離された軽イオン以外のイオンビームが注入さ
れるように試料を保持しイオンビームの長手方向と直交
する方向に試料を移動させる試料保持機構とよりなる。 【００１６】本発明の装置は、まず縦長イオンビームを
発生させるというところに第１の特長がある。試料の直
径よりも高い縦長のビームを用いるから試料はビームの
横方向にだけ移動させれば足りる。ために注入時間を短
縮することができスループットが向上する。但し縦長と
いっているが、もちろん横長のイオンビームであって横
方向に磁場を懸け短辺方向に質量分析して、試料を縦方
向に動かしても良い。ここでは磁場を縦としビームも縦
長と表現する。 【００１７】しかし縦長ビームをマグネットによって曲
げようとする場合、磁極間隔が極めて長いので一様磁場
になりにくい。一様磁場でないと、場所によって曲がり
角度が異なるからビームの断面が歪んでしまうし、正し
く質量分析することができない。そこで本発明は、長い
磁極間隔において一様な磁界を形成することができるよ
う工夫している。ヨークに巻いた主コイル、第１補助コ
イル、第２補助コイルなどの組み合わせによって長い磁
極間で一様磁場を発生させるようにした。 【００１８】一様な縦磁場によって、縦長ビームを短辺
側に曲げ、イオンを質量分離する。軽イオンだけを除去
するためにシャッターを設けて一定角度以上に曲がった
ビームをシャッターによって遮断する。残りのビームは
全て試料に注入する。試料はビームの長辺とは直交する
方向に移動するようになっていて、試料全面にイオンビ
ーム注入できる。 【００１９】 【発明の実施の形態】図１は本発明のイオン注入装置の
概略構成図である。縦長のイオン源１が、縦長のイオン
引き出し口２から、帯状（縦長）のビーム３を生成す
る。試料（ウェファ）の直径をＷとすると、ビームの縦
長さＴはＷより大きい、ビームの横幅２ｄはＷより小さ
い（Ｔ＞Ｗ＞２ｄ）。ビーム３の経路には、ビームの長
辺Ｔに平行な縦磁場Ｂｙが形成されている。ここで座標
系を定義する。ビームの進行方向をｚ方向、縦長ビーム
の短辺の方向をｘ方向、ビーム長辺の方向をｙ方向とす
る。帯状ビーム３は縦磁場Ｂｙの為にローレンツ力を受
け、ｘ方向に曲がる。曲率半径をＲとすると、 【００２０】 ＢｙＲ＝（２ＭＶ／ｑ）1/2 （１） 【００２１】である。ｑは電荷、Ｖは引出電圧、Ｍは質
量である。重いイオンはＲが大きい。つまり曲がりにく
い。軽いイオンはＲが小さい。つまり曲がり易い。軽イ
オンはビーム５のように大きく曲がる。重イオンはビー
ム４のように殆ど曲がらない。軽イオンは水素のイオン
（Ｈ+ 、Ｈ2 +、Ｈ3 +）などを意味する。重イオンは、先
ほどのＰドープの例では、Ｐ+ 、ＰＨ+ 、ＰＨ2 +などで
ある。行路中にシャッター７を進退自在に入れて軽イオ
ン５を遮断するようにしている。スリットではなくて、
シャッターであるから、ある質量以上のイオンは全て通
す。 【００２２】シャッター７で遮られなかった重イオンの
ビーム４は対象物（ウェファ）６の表面に注入される。
ビーム４は複数のイオン種を含むのでウェファ６面で広
がりを持つ。複数イオン種の存在のために注入面８の幅
Δｘは、もとのビームの幅２ｄよりも広くなる（Δｘ＞
２ｄ）。 【００２３】ビームの短辺方向（ｘ方向）に一様磁場を
作るのは比較的簡単である。磁極間隔が狭いからであ
る。本発明はそうではなくて、ビームの長辺方向（ｙ方
向）に一様磁場Ｂｙを作りだし、これによってビームを
質量分析しようとする。磁極間距離が長いので、細長い
閉ループからなるヨークにコイルを巻いたものではヨー
ク面からの磁束漏れのために一様な磁場を形成すること
ができない。中央部で強く、両端で弱い磁場となる。ｙ
＝０の近くではビームは強く曲がり、ｙ＝０から離れる
と弱く曲がるようになる。すると図８（ａ）のようにビ
ームがウェファ面で湾曲してしまう。湾曲するだけでな
く、ｙ＝０から離れた部位で、重イオンＰ+ と、軽イオ
ンＨ3 +のビームの一部が重なってしまう。ここで質量分
離が不完全になる。 【００２４】そこで一様な縦磁場形成の為に本発明は特
別な工夫をしている。図２は本発明のイオン注入装置の
縦断面図、図３は同じものの平面図である。イオン源１
は縦長のイオン源であって、縦長のイオン引き出し口２
を持ち、ここからｙ方向に長く、ｘ方向に短い断面のビ
ーム３が引き出される。ビームはｚ方向に進行し、ヨー
ク１０の内部に入る。ヨーク１０の内部には一様な縦磁
場Ｂｙが存在する。これによって軽いイオン５は強く曲
がり、重いイオンは弱く曲がる。ビーム経路に出入自在
にシャッタ７と位置検出器１１が設けられる。これは図
１と図３に示した。 【００２５】位置検出器１１は初めにイオンビームの空
間的な分布を調べるためのものである。シャッタの前に
あっても、後ろにあっても、さらにウェファの後ろにあ
っても良い。これはｘｙ面に広がる二次元の検出器また
は一次元の検出器である。一次元の検出器を使う場合は
センサ列と直角方向に移動させて実質的に二次元のセン
サとする。初めに位置検出器１１これをビーム経路に持
ち出して、磁界が０の時の直進ビームのｘｙ方向のイオ
ン分布を調べる。さらに磁界を掛けてイオンプロフィル
の歪をモニタし、イオンビームが歪まないように補助コ
イル電流を調整する。 【００２６】位置検出器１１とシャッタ７は同様にｘ方
向に進退可能である。イオン注入を行うときは、位置検
出器１１を引き込み、代わりにシャッター７を繰り出
す。軽いイオンは強く曲がるのでシャッター７によって
遮断される。重いイオンは曲がりが少ないのでシャッタ
ー７に触れず、ウェファ６に入射する。エンドステーシ
ョン９は、ウェファ６を支持しｘ方向に移動できる支持
機構を備える。 【００２７】図４はヨーク１０と６つのコイルを示して
いる。ヨークは強磁性体の閉磁路を構成する。矩形状で
あってｙ方向に長く、ｘ方向に短い。ｘ方向のヨーク部
分をＸ枠、ｙ方向のヨーク部分をＹ枠と呼ぶ。Ｙ枠には
６つのコイル、Ｍ１、Ｍ２、Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２が
設けられている。中央の主コイルＭ１、Ｍ２は最も巻き
数の多いコイルである。巻き方向は同一であって、何れ
も上向きの磁束をヨーク１０内に発生させる。ヨーク１
０に上下向きの循環型の磁束を生じさせるのではない。
主コイルより下方には第１補助コイルＡ１、Ａ２があ
る。これも巻き方向は同一であり何れも上向きの磁束を
生じる。主コイルより上方には第２補助コイルＢ１、Ｂ
２がある。これも上向きの磁束を発生させる。 【００２８】つまりこのヨークは閉曲線の磁路を持つ
が、コイルによって作られる磁束は閉曲線に沿ってヨー
ク中を回るものではない。左側Ｙ枠に巻き付けてある３
つのコイルＢ１、Ｍ１、Ａ１は何れも上向き磁束を与え
る。右側Ｙ枠にある３つのコイルＢ２、Ｍ２、Ａ２も上
向き磁束を作る。磁束はＸ枠の中央Ｕで衝突し、上下に
ヨークから飛び出す。 【００２９】上向きに飛び出したものは、ヨークを大き
く外回りして、反対側のＸ枠の中心Ｄに戻る。これは磁
束の損失である。下向きに飛び出したものは、下向きの
磁束密度Ｂとなる。これは質量分析空間１２を縦に貫
き、下のＸ枠の中央Ｄでヨーク内に戻る。このように、
ヨーク１０は上下のＸ枠の中点ＵとＤが磁極になる。 【００３０】右側の磁束は、Ａ２、Ｍ２，Ｂ２を下から
上に抜け、ヨーク１０の上枠の中点Ｕから下降して、ビ
ーム３を通り、下枠の中点Ｄへ戻りさらにＡ２、Ｍ２，
Ｂ２を通過する閉ループを描く。 【００３１】左側の磁束は、Ａ１、Ｍ１，Ｂ１を下から
上に抜け、ヨーク１０の上枠の中点Ｕから下降して、ビ
ーム３を通り、下枠の中点ＤへもどりさらにＡ１、Ｍ
１、Ｂ１を通過する閉ループを描く。 【００３２】このように、Ｘ枠の中点Ｕ、Ｄで磁束が強
く衝突し磁場エネルギーがここで高くなるので、その近
傍でのヨークからの磁束の漏れが大きい。これが問題で
ある。もしも一対の主コイルＭ１、Ｍ２だけであると、
ヨーク半ばでの磁束漏れのためにＢｙがｙ方向で一様に
ならない。 【００３３】図６は主コイルＭ１、Ｍ２だけに５０００
０ＡＴの電流を流し、補助コイルＡ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ
２には電流を流さない時の、磁束密度Ｂｙ（ｙ）のｙ方
向の分布である。ＡＴというのは本来ＭＫＳ単位系での
磁場Ｈの単位であるが、ヨークに発生させる起磁力を与
えるものとしてここでは、コイルの巻数Ｎと電流Ｉの積
によってコイル起磁力を表現している。もしもヨークが
閉磁路をなし、漏れ磁束がないとすれば、ヨーク内の磁
場ＨはＡＴの値を磁路長によって割った値になる。 【００３４】しかし本発明の使い方では磁束漏れがある
のでヨーク内の磁場は、ＡＴを磁路長で割ったものには
ならない。従ってＡＴ／ｍと磁束密度Ｂの間に単純な比
例関係はない。コイルに流す電流が大きいので磁極間が
離れていても十分な磁束密度Ｂを発生させることができ
る。ＡＴが大きいとヨークの飽和が起こる惧れがある。
しかしヨークの断面積が十分であれば、磁束密度は数ｋ
Ｇの程度であるから、飽和が起こる心配は無い。 【００３５】さてヨークの開口のｙ方向の長さを４０ｃ
ｍとして、中央部ｙ＝０では１６００ガウスになる。し
かし両端部ｙ＝±２０ｃｍでは７２０ガウスにしかなら
ない。Ｂｙがｙ方向に不均一になる。ｙ＝０の付近を通
るビームは強く曲がるが、ｙ＝±２０ｃｍの付近を通る
ビームは曲がりが小さい。 【００３６】そこで両側に補助コイルを設けてこれらに
大電流を流す事によって両端での磁場を増強する。図７
は主コイルＭ１、Ｍ２にそれぞれ２５０００ＡＴの電流
を流し、補助コイルＡ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２にはそれぞ
れ１２５００ＡＴの電流を流した時のｙ方向の磁束密度
Ｂｙ（ｙ）を示す。ｙ＝０ｃｍで１０４０ガウスである
が、ｙ＝±２０ｃｍに至るまで一様であり、平坦な磁束
密度分布が実現されている。このように補助コイルＡ、
Ｂを励磁することによってｙ方向の磁場を一様にするこ
とができる。磁場が一様であれば、ｙ方向の位置の違い
によらず、ビームの曲がりを等しくできる。 【００３７】図８の（ｂ）に示すように、初めに矩形断
面のビームであれば、ウェファ面上でも、Ｐについて矩
形断面になるし、Ｈ3 についても矩形断面になる。図８
のＰとＨ3 の境界の部分にシャッターを入れると、
Ｈ3 +、Ｈ2 +、Ｈ+ などの軽イオンを全て落とし、Ｐ以上
の質量をもつ、Ｐ+ 、ＰＨ+ 、ＰＨ2 +、ＰＨ3 +などのイ
オンを全てウェファに注入することができる。図８
（ｂ）ではＰの領域とＨ3 の領域が接触しているが、も
う少しウェファを後ろへずらすと両者は十分に離隔す
る。 【００３８】初めに二次元分解能を持つ位置検出器１１
（ファラディカップなど）によってイオンビームの分布
を求めておき、ＰとＨ3 ビームの境界を求め、境界部分
にシャッターを位置させる。照射領域８が既知になるの
で、ウェファ６をｘ→−ｘ方向に走査すればよい。これ
はウェファの支持機構によって行う。一方向の並進だけ
でウェファの全面に一様にビームを注入することができ
る。高速回転と並進運動を同時に行う、従来の大口径ウ
ェファ用のイオン注入装置のエンドステーションに比較
して、格段に単純化される。 【００３９】 【実施例】直径３０ｃｍのシリコンウェファにＰイオン
をドープする場合について説明する。原料ガスはＰＨ3
ガスである。これをイオン源に導入してプラズマとし、
引出電極の作用によってイオンビームとして引き出す。
縦長のイオン源１から高さが４０ｃｍ横幅が１０ｃｍの
帯状のイオンビームを発生させる。ビーム前方には二次
元の位置検出器１１を配置する。これによってイオンビ
ームのｘ、ｙ方向に二次元分布を調べる。 【００４０】たとえば二次元の検出機能をもつファラデ
ィカップを用いる。二次元分解能を持たせるため、例え
ば１ｃｍ径のイオン検出部を多数格子状に並べたファラ
ディカップが適する。二次元検出器の代わりに、ｙ方向
に伸びる一次元位置検出器をｘ方向に移動させても良
い。或いはｘ方向に伸びる一次元位置検出器をｙ方向に
移動させることもできる。これらのビーム強度の二次元
信号をパラレルに、或いはゲートを懸けて、シリアルに
読み出して適当な数学的処理をパソコンで行い、ビーム
の２次元分布をＣＲＴに表示できる。この状態では、水
素イオンや燐イオンは重なったピークを作っている。 【００４１】つぎに主コイルＭ１、Ｍ２に通電してヨー
クから縦磁場Ｂｙを発生させる。磁場分布は図６のよう
になる。イオンビームはｘ方向に曲がり、ピークが二つ
に分離する。図８（ａ）のようにＨ3 のビームと、Ｐの
ビームは中央部では分離しているが、端では互いに重な
っている。もとのビームが４０ｃｍ×１０ｃｍの矩形状
であるのにビームが歪むのは中央で磁場が強く端で弱い
からである。 【００４２】さらに補助コイルＡ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２
に通電してこれを励磁する。主コイルＭ１、Ｍ２の電流
とバランスを取りながら補助コイル電流を増加させる。
ビームの分布が図８（ｂ）のように矩形状になり完全に
分離できればよい。このとき図７のような一様磁場が形
成されている。 【００４３】注入角度が問題になるときは、基板６を傾
けて燐イオンのビームが直角になるようにする。この条
件では、燐イオンの入射角は約１０度、水素イオンは約
４０度程度である。であるからウェファ６を約１０度傾
けて入射するようにすれば良い。入射角が１０度位傾い
ても差し支えないという場合は、ウェファは傾けなくて
も良い。ビーム断面はｙ方向に長い長方形であるから、
基板６はｘ方向に並進させて全面にイオン注入する。 【００４４】先ほどヨークの飽和について述べたが、こ
こで、燐ドープの例について、パラメータの例を説明す
る。図５は横幅ＪＨＧ（２ｄ）のある縦長ビームが磁場
のファラディ力で曲がる有り様を示す。有効な磁場の存
在する領域の幅をＬとする。水素Ｈ3 +イオンは点Ｃを中
心として小さい半径ＲH の円弧を描く。中心角をΘHと
する。Ｈ3 +ビームは入口でＪＨＧの広がりを持つので、
出口でもＳＱＰの範囲に広がっている。中心点Ｈからｚ
方向に引いた線と領域の端の線の交点をＦとする。燐イ
オンは点Ｅを中心として大きい半径ＲP の円弧を描く。
中心角をΘP とする。Ｐ+ ビームは入口でＪＨＧの幅を
持つから、出口でもＮＭＫの広がりを持つ。 【００４５】燐ビームの出口分布で最もｘの値が大きい
のは点Ｎである。Ｈ3 ビームの出口分布で最もｘの小さ
いのは点Ｐである。このようにＸN ＜ＸP であれば、シ
ャッターをＰＮ間に置く事によってＨ3 を全部落とす事
ができる。もちろんビーム角度も違うので実際にはもっ
と余裕がある。 【００４６】 ＲH ＝（ＭH Ｖ）1/2 ／０．６９Ｂ （２） 【００４７】 ＲH ＝（ＭP Ｖ）1/2 ／０．６９Ｂ （３） 【００４８】ここで半径Ｒの単位はｃｍ、磁束密度の単
位はテスラ、ＭH（３）、ＭP（３１）は質量数である
（ＭH ＝３、ＭP ＝３１）。加速電圧Ｖの単位は１０ｋ
ｅＶである。磁場領域Ｌでのビーム曲がりの中心角Θ
Ｐ、ΘＨは、 【００４９】ＲH ｓｉｎΘH ＝Ｌ （４） 【００５０】ＲP ｓｉｎΘP ＝Ｌ （５） 【００５１】によって決まる。 【００５２】 ＦＮ＝ＲP −ＲP ｃｏｓΘP ＋ｄ （６） 【００５３】 ＦＰ＝ＲH −ＲH ｃｏｓΘH −ｄ （７） 【００５４】である。分離の条件は ＦＰ＞ＦＮである
から、 【００５５】 ＲH −ＲH ｃｏｓΘH −ｄ＞ＲP −ＲP ｃｏｓΘP ＋ｄ （８） 【００５６】であればよい。具体的に、磁場領域の幅Ｌ
を５０ｃｍ、ビーム半幅ｄを５ｃｍ、ビームエネルギー
を１００ｋｅＶとして、分離すべきイオンをＨ3 イオン
と、Ｐイオンとすると、必要な磁束密度は１０００ガウ
ス程度になる。この時（Ｂ＝０．１テスラ）、ＲH ＝７
９ｃｍ、ΘH ＝３９゜、ＲP ＝２５３ｃｍ、ΘP ＝１１
゜となる。このとき不等式（８）を満足している。この
程度の縦磁場を発生させるのは可能である。図７のよう
に、主コイルに２５０００ＡＴ、補助コイルに１２５０
０ＡＴの電流を流すと、Ｂ＝１０４０ガウスになる。 【００５７】図９には補助コイル電流を０としたとき
の、ビームの広がりを示す。図９（ａ）は燐イオンを１
００ｋｅＶに加速したときのビームである。ビームには
もともと横幅（２ｄ：図５のＧＨＪ））があるので、中
央と左右のビーム軌跡３本を示す。いずれも３本に分離
しているが、これはｙ方向の磁場Ｂｙがばらついている
からである。図９（ｂ）は１００ｋｅＶのＨ3 イオンの
軌跡である。軽いイオンであるから曲がりがより著し
い。やはりＢｙの不均一性のために３本以上のビームに
分離している。 【００５８】図１０は補助コイル電流を流し、Ｂｙを一
様にした時のビーム広がりを示す。図１０（ａ）は１０
０ｋｅＶの燐イオンの軌跡である。Ｂｙがｙ方向で一様
であるから、ビームは分離しない。図１０（ｂ）は１０
０ｋｅＶのＨ3 イオンの軌跡である。これは僅かに分離
しているが、ｘの大きい範囲でＢｙが少し不均一になっ
ているからである。 【００５９】図１１には主コイル電流が５００００Ａ
Ｔ、補助コイル電流が０の時の（図６と同じ条件）ヨー
クや磁極間の磁力線の分布を示す。ヨーク外側の枠は無
限円の代わりに仮想的な境界条件を設定する枠である。
磁力線は連続するのでこのような境界条件を入れないと
磁力線を計算できない。実際にヨークをこのような強磁
性体の箱で囲む事もあるが、囲まない場合もある。この
ような境界条件は内部の磁力線分布にはあまり強い影響
を持たない。主コイルだけを励磁するので、ヨークから
漏れが多く、磁力線が磁極間で完全に平行にならない。 【００６０】図１２には主コイルに２５０００ＡＴ、補
助コイルに１２５００ＡＴの電流を流した時（図７と同
じ条件）のヨークや磁極間の磁力線分布を示す。磁極間
で磁力線が完全に平行になっている事が分かる。 【００６１】 【発明の効果】本発明は、帯状のイオンビームを短辺の
方向に磁石によって曲げてイオンを質量分析する。原料
ガスをイオンとしたとき、不要な軽イオンと必要な重イ
オンを含むようになる場合、これを分離し不要な軽イオ
ンを除く。非質量分析タイプのイオン注入装置に比較し
て発熱が少なく、不純物の注入による悪影響も少ない。
必要な重いイオンが複数種ある場合それらの全てをイオ
ン注入できるから原料を有効に利用できるし、注入処理
能力も大きい。対象物（ウェファ）は一方向だけに往復
移動させれば良いのでエンドステーションの構造が単純
になる。 【００６２】この種のエンドステーションの場合、ウェ
ファをビーム幅の長さだけ余分にオーバースキャンしな
ければ注入均一性を保証できないが、ウェファ面上での
ビームプロフィルを、補正コイルの電流によって制御で
きるので、オーバースキャン幅を補正コイルなしの場合
に比べてより狭くできる。これにより注入時間を短縮で
きる。曲げ角度が少なくて済みビームラインが短くて良
い。そのために空間電荷効果によるビーム発散が少ない
ので、ビーム損失が少ない。
ガラス基板などのような大型の加工品に、大電流イオン
注入を実現するためのイオン注入装置に関する。Ｓｉウ
ェファの場合は、ボロン、リン、ヒ素などｐ型、ｎ型不
純物をドープするためにイオン注入することが多い。ス
ループットを上げるために、一様な注入分布でしかも高
速でドープする装置が望まれる。さらに水素イオンなど
が注入されると温度が過度に上がるなどの悪影響がある
から水素イオンなどを除去することが望ましい。 【０００２】 【従来の技術】従来の大電流イオン注入装置は大別して
ふたつの種類がある。ひとつは、細い（０次元の広が
り）高密度のイオンビームを扇形マグネットによって質
量分析し所望のイオン種のみを、回転並進運動する回転
ターゲットに戴置されている加工品（ウェファ）に照射
するものである。細いイオンビームであるから扇形磁石
によって質量分離するのは簡単である。しかしビーム自
体は広がりを持たないので、ウェファの全面に照射する
ために、ウェファを並進、回転させる必要がある。ウェ
ファを支持するエンドステーション側で２次元的にウェ
ファを動かす必要がある。 【０００３】もうひとつは大口径のイオン源から大口径
イオンビームを引き出し質量分析せずにウェファに照射
するものである。ウェファの直径をＷとし、イオン源か
ら引き出されたイオンビームの直径をＤとする。Ｄ＞Ｗ
の大口径のイオンビームを発生させるので、ウェファを
走査する必要がない。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】 １．回転ターゲットを用いる方式では、細い０次元ビー
ムを発生させるのでビーム光学系は単純である。しかし
回転並進を行わせなければならないエンドステーション
の構造は複雑である。ウェファを戴置したディスクは高
速回転と、イオンビーム電流に比例しビーム位置に反比
例するような並進速度制御を行わなければならない。又
ウェファでのビーム電流密度が高くなるとウェファのチ
ャージアップ現象が著しくなる。チャージアップは、正
または負のイオンビームを注入したとき電荷が逃げず、
電荷がウェファなどの表面に蓄積される現象である。こ
れによってウェファの表面のデバイスが破壊されること
もあり望ましくない。現在大口径ウェファにイオン注入
する方法として、現実的に利用されているのはこの回転
ターゲット方式であるが、このような欠点がある。 【０００５】２．大口径イオン源非質量分離方式はビー
ム光学系はイオン引き出し系だけであるあるから装置構
成はいっそう単純である。エンドステーションの構造も
単純である。しかし大口径イオンビームは質量分析する
ことができないので、所望イオン以外のイオン種も区別
されずウェファに注入されてしまう。不純物イオンの注
入によって所望の特性が得られない事がある。さらにイ
オンでなく分子の形でも注入されるので注入深さ分布が
プラズマの状態によって変化する。注入深さが一定しに
くいのでデバイス特性が一定しにくいという難点もあ
る。 【０００６】後者に関しては、例えば、ボロンの注入を
行う場合、ジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ）が原料ガスとして用い
られる。この際ボロンとともに水素イオンもウェファに
注入される。注入された水素は高速であるからゲート酸
化膜を突き抜けチャンネル層にまで注入される場合があ
る。これがゲート電極下方でのチャンネルに格子欠陥を
生じさせることがある。イオンエネルギーは全て熱に変
換されるが所望のイオン種以外のイオン（例えば水素イ
オン）が注入されるとそれによって試料が過熱されてし
まう。温度上昇によって試料上のデバイスが破壊される
惧れがある。 【０００７】３．大口径イオン源方式の難点はそれだけ
ではない。８インチウェファや１２インチウェファとい
った大面積の基板にイオン注入しようとする場合、ウェ
ファ面上いたるところで数％以内の注入均一性が要求さ
れる。このような大面積でビームの密度均一性あるイオ
ン源を実現するのは至難の技である。大口径イオン源は
現在のところ注入均一性要求の厳しくない小面積のウェ
ファにしか使えない。 【０００８】４．質量分析しないイオン注入法としてさ
らに、ＰＩＩＩ法（Plasma ImmersionIon Implantation
）というものが提案されている。Shu Qin and Chung C
han,"Plasma immersion ion implantaion doping exper
iments for microelectronics", J.Vac.Sci.Technol. B
12(2), (1994) p962 。これはＳｉウェファをプラズマ
中にさらし、ウェファに負の電圧を印加することによっ
てシース領域でイオンを加速しウェファに注入する方法
である。イオンビームを引き出すのにシース電圧を使っ
ているので引出電極が不要である。多くの場合、不純物
は電極がスパッタリングされたものである。この方法で
は電極から発生する不純物の混入の可能性がない。だか
ら質量分析をしなくても良いというわけである。 【０００９】しかし原料ガスが含む元素から出る不要イ
オンを除く事はできない。前記のボロンドーピングの場
合は、原料ガスとしてジボランを使うが、水素イオンが
ウェファに注入される。水素イオンもボロンイオンも同
じ加速エネルギーを持つ。水素イオン注入によってウェ
ファが過熱される。スループットを上げるために注入時
間を短縮すると水素注入による温度上昇が著しくなる。
だから注入時間を余り短くできない。ウェファ１枚に、
１０分掛かって１．９×１０15ｃｍ-2の密度のイオン注
入をした事が報告されている。これではスループットが
低すぎる。１枚１分以内でイオン注入したいものであ
る。実際この方法は実用化されていないようである。 【００１０】５．これまでに、０次元ビーム（断面が
点）のビームを質量分析し二次元走査されるウェファに
ビーム注入する方法と、大口径の２次元ビーム（断面が
広い円形）のビームを質量分析しないで静止したウェフ
ァに注入する方法と、イオン源を使わずプラズマ中のウ
ェファにイオン注入するＰＩＩＩ法とを説明した。２番
目の大口径イオンビーム法において質量分析できれば問
題は解決されるはずである。しかし大口径ビームを質量
分析しようとする試みはいまだ実現していない。 【００１１】質量分離をして水素などの軽元素を除去す
ることのできるイオン注入装置を提供することが本発明
の第１の目的である。同じ元素をドープする事ができる
異種イオンもイオン注入できるようにしたイオン利用率
の高いイオン注入装置を提供することが本発明の第２の
目的である。スループットの高いイオン注入装置を提供
することが本発明の第３の目的である。 【００１２】第１の目的と第２の目的は共通するものが
ある。原料ガスがプラズマになると多様なイオンが生成
されるが、ある元素を含むものであればそれら全部をイ
オン注入してガスを有効に利用することを目指すのであ
る。ただ水素だけを含む軽イオン（Ｈ+ 、Ｈ2 +、Ｈ3 +）
は除去する必要がある。これはｐ型不純物又はｎ型不純
物をドープするという本来の目的に沿うものでない。そ
れに水素イオン注入によってウェファの温度が上がりす
ぎる。それで軽イオン（最大でＨ3 +）だけを排除するよ
うな折衷的な質量分析をおこなう。 【００１３】質量分析に関しては、様々の要求がある。
厳格にただ１種類のイオンだけを注入するべきであると
するものもある。反対に質量分析は不要だとするものも
ある。本発明はこれらのうちでは中間的なものである。
目的とする元素を含むものであればどのイオン種でもみ
んな注入され、目的とする元素を含まない水素だけから
なるものは排除しようとするのである。 【００１４】例えば、シリコンウェファにｎ型不純物と
してＰをドープする場合、原料ガスをＰＨ3 とするが、
これはＰ+ 、ＰＨ+ 、ＰＨ2 +、Ｈ+ 、Ｈ2 +、Ｈ3 +などの
イオンを生ずる。本発明はこのうち、Ｈ+ 、Ｈ2 +、Ｈ3 +
を除き、そのほかのイオンは全て試料に注入するように
するものである。Ｐの化合物のイオンであれば注入のあ
と、やがてＨが抜けてｎ型不純物になるから無駄でない
のである。つまり本発明の質量分析は、ある閾値Ｍ0 よ
り小さい質量Ｍのイオン（Ｍ＜Ｍ0 ）は排除し、閾値よ
り大きい質量Ｍのイオンは全て（Ｍ＞Ｍ0 ）選択するも
のである。 【００１５】 【課題を解決するための手段】対象となる試料直径Ｗよ
り小さい横幅２ｄと、直径ｗより大きい縦幅Ｔをもつ縦
長のイオンビームを生成するイオン源と、縦長イオンビ
ームの通路を有する縦長のヨークと、ヨークの中央部に
巻かれた主コイルＭ１、Ｍ２と、主コイルに並んでヨー
クの一方の端部に巻かれた第１補助コイルＡ１、Ａ２
と、主コイルと並んでヨークの他方の端部に巻かれた第
２補助コイルＢ１、Ｂ２とよりなり縦方向に磁場を発生
する縦長の質量分析磁石と、質量分析磁石によって分離
された軽イオンを遮断するシャッタと、質量分析磁石に
よって分離された軽イオン以外のイオンビームが注入さ
れるように試料を保持しイオンビームの長手方向と直交
する方向に試料を移動させる試料保持機構とよりなる。 【００１６】本発明の装置は、まず縦長イオンビームを
発生させるというところに第１の特長がある。試料の直
径よりも高い縦長のビームを用いるから試料はビームの
横方向にだけ移動させれば足りる。ために注入時間を短
縮することができスループットが向上する。但し縦長と
いっているが、もちろん横長のイオンビームであって横
方向に磁場を懸け短辺方向に質量分析して、試料を縦方
向に動かしても良い。ここでは磁場を縦としビームも縦
長と表現する。 【００１７】しかし縦長ビームをマグネットによって曲
げようとする場合、磁極間隔が極めて長いので一様磁場
になりにくい。一様磁場でないと、場所によって曲がり
角度が異なるからビームの断面が歪んでしまうし、正し
く質量分析することができない。そこで本発明は、長い
磁極間隔において一様な磁界を形成することができるよ
う工夫している。ヨークに巻いた主コイル、第１補助コ
イル、第２補助コイルなどの組み合わせによって長い磁
極間で一様磁場を発生させるようにした。 【００１８】一様な縦磁場によって、縦長ビームを短辺
側に曲げ、イオンを質量分離する。軽イオンだけを除去
するためにシャッターを設けて一定角度以上に曲がった
ビームをシャッターによって遮断する。残りのビームは
全て試料に注入する。試料はビームの長辺とは直交する
方向に移動するようになっていて、試料全面にイオンビ
ーム注入できる。 【００１９】 【発明の実施の形態】図１は本発明のイオン注入装置の
概略構成図である。縦長のイオン源１が、縦長のイオン
引き出し口２から、帯状（縦長）のビーム３を生成す
る。試料（ウェファ）の直径をＷとすると、ビームの縦
長さＴはＷより大きい、ビームの横幅２ｄはＷより小さ
い（Ｔ＞Ｗ＞２ｄ）。ビーム３の経路には、ビームの長
辺Ｔに平行な縦磁場Ｂｙが形成されている。ここで座標
系を定義する。ビームの進行方向をｚ方向、縦長ビーム
の短辺の方向をｘ方向、ビーム長辺の方向をｙ方向とす
る。帯状ビーム３は縦磁場Ｂｙの為にローレンツ力を受
け、ｘ方向に曲がる。曲率半径をＲとすると、 【００２０】 ＢｙＲ＝（２ＭＶ／ｑ）1/2 （１） 【００２１】である。ｑは電荷、Ｖは引出電圧、Ｍは質
量である。重いイオンはＲが大きい。つまり曲がりにく
い。軽いイオンはＲが小さい。つまり曲がり易い。軽イ
オンはビーム５のように大きく曲がる。重イオンはビー
ム４のように殆ど曲がらない。軽イオンは水素のイオン
（Ｈ+ 、Ｈ2 +、Ｈ3 +）などを意味する。重イオンは、先
ほどのＰドープの例では、Ｐ+ 、ＰＨ+ 、ＰＨ2 +などで
ある。行路中にシャッター７を進退自在に入れて軽イオ
ン５を遮断するようにしている。スリットではなくて、
シャッターであるから、ある質量以上のイオンは全て通
す。 【００２２】シャッター７で遮られなかった重イオンの
ビーム４は対象物（ウェファ）６の表面に注入される。
ビーム４は複数のイオン種を含むのでウェファ６面で広
がりを持つ。複数イオン種の存在のために注入面８の幅
Δｘは、もとのビームの幅２ｄよりも広くなる（Δｘ＞
２ｄ）。 【００２３】ビームの短辺方向（ｘ方向）に一様磁場を
作るのは比較的簡単である。磁極間隔が狭いからであ
る。本発明はそうではなくて、ビームの長辺方向（ｙ方
向）に一様磁場Ｂｙを作りだし、これによってビームを
質量分析しようとする。磁極間距離が長いので、細長い
閉ループからなるヨークにコイルを巻いたものではヨー
ク面からの磁束漏れのために一様な磁場を形成すること
ができない。中央部で強く、両端で弱い磁場となる。ｙ
＝０の近くではビームは強く曲がり、ｙ＝０から離れる
と弱く曲がるようになる。すると図８（ａ）のようにビ
ームがウェファ面で湾曲してしまう。湾曲するだけでな
く、ｙ＝０から離れた部位で、重イオンＰ+ と、軽イオ
ンＨ3 +のビームの一部が重なってしまう。ここで質量分
離が不完全になる。 【００２４】そこで一様な縦磁場形成の為に本発明は特
別な工夫をしている。図２は本発明のイオン注入装置の
縦断面図、図３は同じものの平面図である。イオン源１
は縦長のイオン源であって、縦長のイオン引き出し口２
を持ち、ここからｙ方向に長く、ｘ方向に短い断面のビ
ーム３が引き出される。ビームはｚ方向に進行し、ヨー
ク１０の内部に入る。ヨーク１０の内部には一様な縦磁
場Ｂｙが存在する。これによって軽いイオン５は強く曲
がり、重いイオンは弱く曲がる。ビーム経路に出入自在
にシャッタ７と位置検出器１１が設けられる。これは図
１と図３に示した。 【００２５】位置検出器１１は初めにイオンビームの空
間的な分布を調べるためのものである。シャッタの前に
あっても、後ろにあっても、さらにウェファの後ろにあ
っても良い。これはｘｙ面に広がる二次元の検出器また
は一次元の検出器である。一次元の検出器を使う場合は
センサ列と直角方向に移動させて実質的に二次元のセン
サとする。初めに位置検出器１１これをビーム経路に持
ち出して、磁界が０の時の直進ビームのｘｙ方向のイオ
ン分布を調べる。さらに磁界を掛けてイオンプロフィル
の歪をモニタし、イオンビームが歪まないように補助コ
イル電流を調整する。 【００２６】位置検出器１１とシャッタ７は同様にｘ方
向に進退可能である。イオン注入を行うときは、位置検
出器１１を引き込み、代わりにシャッター７を繰り出
す。軽いイオンは強く曲がるのでシャッター７によって
遮断される。重いイオンは曲がりが少ないのでシャッタ
ー７に触れず、ウェファ６に入射する。エンドステーシ
ョン９は、ウェファ６を支持しｘ方向に移動できる支持
機構を備える。 【００２７】図４はヨーク１０と６つのコイルを示して
いる。ヨークは強磁性体の閉磁路を構成する。矩形状で
あってｙ方向に長く、ｘ方向に短い。ｘ方向のヨーク部
分をＸ枠、ｙ方向のヨーク部分をＹ枠と呼ぶ。Ｙ枠には
６つのコイル、Ｍ１、Ｍ２、Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２が
設けられている。中央の主コイルＭ１、Ｍ２は最も巻き
数の多いコイルである。巻き方向は同一であって、何れ
も上向きの磁束をヨーク１０内に発生させる。ヨーク１
０に上下向きの循環型の磁束を生じさせるのではない。
主コイルより下方には第１補助コイルＡ１、Ａ２があ
る。これも巻き方向は同一であり何れも上向きの磁束を
生じる。主コイルより上方には第２補助コイルＢ１、Ｂ
２がある。これも上向きの磁束を発生させる。 【００２８】つまりこのヨークは閉曲線の磁路を持つ
が、コイルによって作られる磁束は閉曲線に沿ってヨー
ク中を回るものではない。左側Ｙ枠に巻き付けてある３
つのコイルＢ１、Ｍ１、Ａ１は何れも上向き磁束を与え
る。右側Ｙ枠にある３つのコイルＢ２、Ｍ２、Ａ２も上
向き磁束を作る。磁束はＸ枠の中央Ｕで衝突し、上下に
ヨークから飛び出す。 【００２９】上向きに飛び出したものは、ヨークを大き
く外回りして、反対側のＸ枠の中心Ｄに戻る。これは磁
束の損失である。下向きに飛び出したものは、下向きの
磁束密度Ｂとなる。これは質量分析空間１２を縦に貫
き、下のＸ枠の中央Ｄでヨーク内に戻る。このように、
ヨーク１０は上下のＸ枠の中点ＵとＤが磁極になる。 【００３０】右側の磁束は、Ａ２、Ｍ２，Ｂ２を下から
上に抜け、ヨーク１０の上枠の中点Ｕから下降して、ビ
ーム３を通り、下枠の中点Ｄへ戻りさらにＡ２、Ｍ２，
Ｂ２を通過する閉ループを描く。 【００３１】左側の磁束は、Ａ１、Ｍ１，Ｂ１を下から
上に抜け、ヨーク１０の上枠の中点Ｕから下降して、ビ
ーム３を通り、下枠の中点ＤへもどりさらにＡ１、Ｍ
１、Ｂ１を通過する閉ループを描く。 【００３２】このように、Ｘ枠の中点Ｕ、Ｄで磁束が強
く衝突し磁場エネルギーがここで高くなるので、その近
傍でのヨークからの磁束の漏れが大きい。これが問題で
ある。もしも一対の主コイルＭ１、Ｍ２だけであると、
ヨーク半ばでの磁束漏れのためにＢｙがｙ方向で一様に
ならない。 【００３３】図６は主コイルＭ１、Ｍ２だけに５０００
０ＡＴの電流を流し、補助コイルＡ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ
２には電流を流さない時の、磁束密度Ｂｙ（ｙ）のｙ方
向の分布である。ＡＴというのは本来ＭＫＳ単位系での
磁場Ｈの単位であるが、ヨークに発生させる起磁力を与
えるものとしてここでは、コイルの巻数Ｎと電流Ｉの積
によってコイル起磁力を表現している。もしもヨークが
閉磁路をなし、漏れ磁束がないとすれば、ヨーク内の磁
場ＨはＡＴの値を磁路長によって割った値になる。 【００３４】しかし本発明の使い方では磁束漏れがある
のでヨーク内の磁場は、ＡＴを磁路長で割ったものには
ならない。従ってＡＴ／ｍと磁束密度Ｂの間に単純な比
例関係はない。コイルに流す電流が大きいので磁極間が
離れていても十分な磁束密度Ｂを発生させることができ
る。ＡＴが大きいとヨークの飽和が起こる惧れがある。
しかしヨークの断面積が十分であれば、磁束密度は数ｋ
Ｇの程度であるから、飽和が起こる心配は無い。 【００３５】さてヨークの開口のｙ方向の長さを４０ｃ
ｍとして、中央部ｙ＝０では１６００ガウスになる。し
かし両端部ｙ＝±２０ｃｍでは７２０ガウスにしかなら
ない。Ｂｙがｙ方向に不均一になる。ｙ＝０の付近を通
るビームは強く曲がるが、ｙ＝±２０ｃｍの付近を通る
ビームは曲がりが小さい。 【００３６】そこで両側に補助コイルを設けてこれらに
大電流を流す事によって両端での磁場を増強する。図７
は主コイルＭ１、Ｍ２にそれぞれ２５０００ＡＴの電流
を流し、補助コイルＡ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２にはそれぞ
れ１２５００ＡＴの電流を流した時のｙ方向の磁束密度
Ｂｙ（ｙ）を示す。ｙ＝０ｃｍで１０４０ガウスである
が、ｙ＝±２０ｃｍに至るまで一様であり、平坦な磁束
密度分布が実現されている。このように補助コイルＡ、
Ｂを励磁することによってｙ方向の磁場を一様にするこ
とができる。磁場が一様であれば、ｙ方向の位置の違い
によらず、ビームの曲がりを等しくできる。 【００３７】図８の（ｂ）に示すように、初めに矩形断
面のビームであれば、ウェファ面上でも、Ｐについて矩
形断面になるし、Ｈ3 についても矩形断面になる。図８
のＰとＨ3 の境界の部分にシャッターを入れると、
Ｈ3 +、Ｈ2 +、Ｈ+ などの軽イオンを全て落とし、Ｐ以上
の質量をもつ、Ｐ+ 、ＰＨ+ 、ＰＨ2 +、ＰＨ3 +などのイ
オンを全てウェファに注入することができる。図８
（ｂ）ではＰの領域とＨ3 の領域が接触しているが、も
う少しウェファを後ろへずらすと両者は十分に離隔す
る。 【００３８】初めに二次元分解能を持つ位置検出器１１
（ファラディカップなど）によってイオンビームの分布
を求めておき、ＰとＨ3 ビームの境界を求め、境界部分
にシャッターを位置させる。照射領域８が既知になるの
で、ウェファ６をｘ→−ｘ方向に走査すればよい。これ
はウェファの支持機構によって行う。一方向の並進だけ
でウェファの全面に一様にビームを注入することができ
る。高速回転と並進運動を同時に行う、従来の大口径ウ
ェファ用のイオン注入装置のエンドステーションに比較
して、格段に単純化される。 【００３９】 【実施例】直径３０ｃｍのシリコンウェファにＰイオン
をドープする場合について説明する。原料ガスはＰＨ3
ガスである。これをイオン源に導入してプラズマとし、
引出電極の作用によってイオンビームとして引き出す。
縦長のイオン源１から高さが４０ｃｍ横幅が１０ｃｍの
帯状のイオンビームを発生させる。ビーム前方には二次
元の位置検出器１１を配置する。これによってイオンビ
ームのｘ、ｙ方向に二次元分布を調べる。 【００４０】たとえば二次元の検出機能をもつファラデ
ィカップを用いる。二次元分解能を持たせるため、例え
ば１ｃｍ径のイオン検出部を多数格子状に並べたファラ
ディカップが適する。二次元検出器の代わりに、ｙ方向
に伸びる一次元位置検出器をｘ方向に移動させても良
い。或いはｘ方向に伸びる一次元位置検出器をｙ方向に
移動させることもできる。これらのビーム強度の二次元
信号をパラレルに、或いはゲートを懸けて、シリアルに
読み出して適当な数学的処理をパソコンで行い、ビーム
の２次元分布をＣＲＴに表示できる。この状態では、水
素イオンや燐イオンは重なったピークを作っている。 【００４１】つぎに主コイルＭ１、Ｍ２に通電してヨー
クから縦磁場Ｂｙを発生させる。磁場分布は図６のよう
になる。イオンビームはｘ方向に曲がり、ピークが二つ
に分離する。図８（ａ）のようにＨ3 のビームと、Ｐの
ビームは中央部では分離しているが、端では互いに重な
っている。もとのビームが４０ｃｍ×１０ｃｍの矩形状
であるのにビームが歪むのは中央で磁場が強く端で弱い
からである。 【００４２】さらに補助コイルＡ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２
に通電してこれを励磁する。主コイルＭ１、Ｍ２の電流
とバランスを取りながら補助コイル電流を増加させる。
ビームの分布が図８（ｂ）のように矩形状になり完全に
分離できればよい。このとき図７のような一様磁場が形
成されている。 【００４３】注入角度が問題になるときは、基板６を傾
けて燐イオンのビームが直角になるようにする。この条
件では、燐イオンの入射角は約１０度、水素イオンは約
４０度程度である。であるからウェファ６を約１０度傾
けて入射するようにすれば良い。入射角が１０度位傾い
ても差し支えないという場合は、ウェファは傾けなくて
も良い。ビーム断面はｙ方向に長い長方形であるから、
基板６はｘ方向に並進させて全面にイオン注入する。 【００４４】先ほどヨークの飽和について述べたが、こ
こで、燐ドープの例について、パラメータの例を説明す
る。図５は横幅ＪＨＧ（２ｄ）のある縦長ビームが磁場
のファラディ力で曲がる有り様を示す。有効な磁場の存
在する領域の幅をＬとする。水素Ｈ3 +イオンは点Ｃを中
心として小さい半径ＲH の円弧を描く。中心角をΘHと
する。Ｈ3 +ビームは入口でＪＨＧの広がりを持つので、
出口でもＳＱＰの範囲に広がっている。中心点Ｈからｚ
方向に引いた線と領域の端の線の交点をＦとする。燐イ
オンは点Ｅを中心として大きい半径ＲP の円弧を描く。
中心角をΘP とする。Ｐ+ ビームは入口でＪＨＧの幅を
持つから、出口でもＮＭＫの広がりを持つ。 【００４５】燐ビームの出口分布で最もｘの値が大きい
のは点Ｎである。Ｈ3 ビームの出口分布で最もｘの小さ
いのは点Ｐである。このようにＸN ＜ＸP であれば、シ
ャッターをＰＮ間に置く事によってＨ3 を全部落とす事
ができる。もちろんビーム角度も違うので実際にはもっ
と余裕がある。 【００４６】 ＲH ＝（ＭH Ｖ）1/2 ／０．６９Ｂ （２） 【００４７】 ＲH ＝（ＭP Ｖ）1/2 ／０．６９Ｂ （３） 【００４８】ここで半径Ｒの単位はｃｍ、磁束密度の単
位はテスラ、ＭH（３）、ＭP（３１）は質量数である
（ＭH ＝３、ＭP ＝３１）。加速電圧Ｖの単位は１０ｋ
ｅＶである。磁場領域Ｌでのビーム曲がりの中心角Θ
Ｐ、ΘＨは、 【００４９】ＲH ｓｉｎΘH ＝Ｌ （４） 【００５０】ＲP ｓｉｎΘP ＝Ｌ （５） 【００５１】によって決まる。 【００５２】 ＦＮ＝ＲP −ＲP ｃｏｓΘP ＋ｄ （６） 【００５３】 ＦＰ＝ＲH −ＲH ｃｏｓΘH −ｄ （７） 【００５４】である。分離の条件は ＦＰ＞ＦＮである
から、 【００５５】 ＲH −ＲH ｃｏｓΘH −ｄ＞ＲP −ＲP ｃｏｓΘP ＋ｄ （８） 【００５６】であればよい。具体的に、磁場領域の幅Ｌ
を５０ｃｍ、ビーム半幅ｄを５ｃｍ、ビームエネルギー
を１００ｋｅＶとして、分離すべきイオンをＨ3 イオン
と、Ｐイオンとすると、必要な磁束密度は１０００ガウ
ス程度になる。この時（Ｂ＝０．１テスラ）、ＲH ＝７
９ｃｍ、ΘH ＝３９゜、ＲP ＝２５３ｃｍ、ΘP ＝１１
゜となる。このとき不等式（８）を満足している。この
程度の縦磁場を発生させるのは可能である。図７のよう
に、主コイルに２５０００ＡＴ、補助コイルに１２５０
０ＡＴの電流を流すと、Ｂ＝１０４０ガウスになる。 【００５７】図９には補助コイル電流を０としたとき
の、ビームの広がりを示す。図９（ａ）は燐イオンを１
００ｋｅＶに加速したときのビームである。ビームには
もともと横幅（２ｄ：図５のＧＨＪ））があるので、中
央と左右のビーム軌跡３本を示す。いずれも３本に分離
しているが、これはｙ方向の磁場Ｂｙがばらついている
からである。図９（ｂ）は１００ｋｅＶのＨ3 イオンの
軌跡である。軽いイオンであるから曲がりがより著し
い。やはりＢｙの不均一性のために３本以上のビームに
分離している。 【００５８】図１０は補助コイル電流を流し、Ｂｙを一
様にした時のビーム広がりを示す。図１０（ａ）は１０
０ｋｅＶの燐イオンの軌跡である。Ｂｙがｙ方向で一様
であるから、ビームは分離しない。図１０（ｂ）は１０
０ｋｅＶのＨ3 イオンの軌跡である。これは僅かに分離
しているが、ｘの大きい範囲でＢｙが少し不均一になっ
ているからである。 【００５９】図１１には主コイル電流が５００００Ａ
Ｔ、補助コイル電流が０の時の（図６と同じ条件）ヨー
クや磁極間の磁力線の分布を示す。ヨーク外側の枠は無
限円の代わりに仮想的な境界条件を設定する枠である。
磁力線は連続するのでこのような境界条件を入れないと
磁力線を計算できない。実際にヨークをこのような強磁
性体の箱で囲む事もあるが、囲まない場合もある。この
ような境界条件は内部の磁力線分布にはあまり強い影響
を持たない。主コイルだけを励磁するので、ヨークから
漏れが多く、磁力線が磁極間で完全に平行にならない。 【００６０】図１２には主コイルに２５０００ＡＴ、補
助コイルに１２５００ＡＴの電流を流した時（図７と同
じ条件）のヨークや磁極間の磁力線分布を示す。磁極間
で磁力線が完全に平行になっている事が分かる。 【００６１】 【発明の効果】本発明は、帯状のイオンビームを短辺の
方向に磁石によって曲げてイオンを質量分析する。原料
ガスをイオンとしたとき、不要な軽イオンと必要な重イ
オンを含むようになる場合、これを分離し不要な軽イオ
ンを除く。非質量分析タイプのイオン注入装置に比較し
て発熱が少なく、不純物の注入による悪影響も少ない。
必要な重いイオンが複数種ある場合それらの全てをイオ
ン注入できるから原料を有効に利用できるし、注入処理
能力も大きい。対象物（ウェファ）は一方向だけに往復
移動させれば良いのでエンドステーションの構造が単純
になる。 【００６２】この種のエンドステーションの場合、ウェ
ファをビーム幅の長さだけ余分にオーバースキャンしな
ければ注入均一性を保証できないが、ウェファ面上での
ビームプロフィルを、補正コイルの電流によって制御で
きるので、オーバースキャン幅を補正コイルなしの場合
に比べてより狭くできる。これにより注入時間を短縮で
きる。曲げ角度が少なくて済みビームラインが短くて良
い。そのために空間電荷効果によるビーム発散が少ない
ので、ビーム損失が少ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のイオン注入装置の概略斜視図。
【図２】本発明のイオン注入装置の縦断面図。
【図３】図２に示す本発明のイオン注入装置の横断平面
図。 【図４】本発明で利用する縦長ビームの質量分析マグネ
ットのヨークとコイルの関係を示す正面図。 【図５】マグネットによて縦長ビームを横方向に曲げる
ことによって水素よりなる軽イオンＨ3 + と燐Ｐを含む
イオンとを質量分析できることを示す説明図。 【図６】主コイルだけに５００００ＡＴの電流を流した
ときのヨーク開口内での、磁束密度Ｂｙのｙ方向分布を
示すグラフ。ｙ＝０で磁束密度が過度になり、これから
遠ざかるに従って磁束密度が過小になる。 【図７】主コイルに２５０００ＡＴ、補助コイルに１２
５００ＡＴの電流を流したときのヨーク開口内での、磁
束密度Ｂｙのｙ方向分布を示すグラフ。ｙ方向で磁束密
度が一様になっている。 【図８】補助コイルによる磁場がビームプロフィルにど
のような影響を及ぼすのかを説明するための図。（ａ）
は補助コイル電流が０の場合、（ｂ）は補助コイルに適
当な電流を流している場合を示す。 【図９】補助コイル電流が無いとき、質量分析マグネッ
トが、イオンビーム軌跡にどのような影響を及ぼすかを
説明するビーム軌跡図。（ａ）は補助コイル電流が０の
時の、１００ｋｅＶに加速した燐イオンの軌跡図。
（ｂ）は補助コイル電流が０の時の、１００ｋｅＶに加
速したＨ3 イオンの軌跡図。いずれも３本のビームに分
離している。 【図１０】補助コイルに適当な電流を流したときに、質
量分析マグネットが、イオンビーム軌跡にどのような影
響を及ぼすかを説明するビーム軌跡図。（ａ）は補助コ
イル電流が０の時の、１００ｋｅＶに加速した燐イオン
の軌跡図。（ｂ）は補助コイル電流が０の時の、１００
ｋｅＶに加速したＨ3 イオンの軌跡図。ｙ方向に磁束密
度が一様であるからビームが分離しない。 【図１１】主コイル電流が５００００ＡＴで、補助コイ
ル電流＝０の時、コイル電流によってヨーク内に形成さ
れる磁力線の分布に関する計算結果を示す図。ヨークの
外側に閉磁路をなす磁気回路を仮定し無限遠まで磁力線
が広がらないという境界条件を課している。磁極間で磁
力線が湾曲している。 【図１２】主コイル電流が２５０００ＡＴで、補助コイ
ル電流＝１２５００ＡＴの時、コイル電流によってヨー
ク内に形成される磁力線の分布を示す図。ヨークの外側
に閉磁路をなす磁気回路を仮定し無限遠まで磁力線が広
がらないという境界条件を課している。磁極間で磁力線
が直線になっている。 【符号の説明】 １ 縦長のイオン源 ２ イオン引き出し口 ３ 帯状イオンビーム ４ 重いイオンを含むビーム ５ 軽いイオンを含むビーム ６ ウェファ ７ シャッター ８ 重いイオンの照射領域 ９ エンドステーション １０ 質量分析磁石のヨーク １１ 位置検出器 １２ 質量分析空間
図。 【図４】本発明で利用する縦長ビームの質量分析マグネ
ットのヨークとコイルの関係を示す正面図。 【図５】マグネットによて縦長ビームを横方向に曲げる
ことによって水素よりなる軽イオンＨ3 + と燐Ｐを含む
イオンとを質量分析できることを示す説明図。 【図６】主コイルだけに５００００ＡＴの電流を流した
ときのヨーク開口内での、磁束密度Ｂｙのｙ方向分布を
示すグラフ。ｙ＝０で磁束密度が過度になり、これから
遠ざかるに従って磁束密度が過小になる。 【図７】主コイルに２５０００ＡＴ、補助コイルに１２
５００ＡＴの電流を流したときのヨーク開口内での、磁
束密度Ｂｙのｙ方向分布を示すグラフ。ｙ方向で磁束密
度が一様になっている。 【図８】補助コイルによる磁場がビームプロフィルにど
のような影響を及ぼすのかを説明するための図。（ａ）
は補助コイル電流が０の場合、（ｂ）は補助コイルに適
当な電流を流している場合を示す。 【図９】補助コイル電流が無いとき、質量分析マグネッ
トが、イオンビーム軌跡にどのような影響を及ぼすかを
説明するビーム軌跡図。（ａ）は補助コイル電流が０の
時の、１００ｋｅＶに加速した燐イオンの軌跡図。
（ｂ）は補助コイル電流が０の時の、１００ｋｅＶに加
速したＨ3 イオンの軌跡図。いずれも３本のビームに分
離している。 【図１０】補助コイルに適当な電流を流したときに、質
量分析マグネットが、イオンビーム軌跡にどのような影
響を及ぼすかを説明するビーム軌跡図。（ａ）は補助コ
イル電流が０の時の、１００ｋｅＶに加速した燐イオン
の軌跡図。（ｂ）は補助コイル電流が０の時の、１００
ｋｅＶに加速したＨ3 イオンの軌跡図。ｙ方向に磁束密
度が一様であるからビームが分離しない。 【図１１】主コイル電流が５００００ＡＴで、補助コイ
ル電流＝０の時、コイル電流によってヨーク内に形成さ
れる磁力線の分布に関する計算結果を示す図。ヨークの
外側に閉磁路をなす磁気回路を仮定し無限遠まで磁力線
が広がらないという境界条件を課している。磁極間で磁
力線が湾曲している。 【図１２】主コイル電流が２５０００ＡＴで、補助コイ
ル電流＝１２５００ＡＴの時、コイル電流によってヨー
ク内に形成される磁力線の分布を示す図。ヨークの外側
に閉磁路をなす磁気回路を仮定し無限遠まで磁力線が広
がらないという境界条件を課している。磁極間で磁力線
が直線になっている。 【符号の説明】 １ 縦長のイオン源 ２ イオン引き出し口 ３ 帯状イオンビーム ４ 重いイオンを含むビーム ５ 軽いイオンを含むビーム ６ ウェファ ７ シャッター ８ 重いイオンの照射領域 ９ エンドステーション １０ 質量分析磁石のヨーク １１ 位置検出器 １２ 質量分析空間
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フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平10−302706（ＪＰ，Ａ)
特開 昭60−100351（ＪＰ，Ａ)
特開 平10−162770（ＪＰ，Ａ)
特開 昭63−48738（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−7822（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−342639（ＪＰ，Ａ)
実開 平５−34653（ＪＰ，Ｕ)
実開 平５−6664（ＪＰ，Ｕ)
特表 平11−500573（ＪＰ，Ａ)
特表2000−505234（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01J 37/317
C23C 14/48
H01J 37/05
H01J 37/09
H01L 21/265 603
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 対象となる試料直径より小さい横幅と、
直径より大きい縦幅をもつ縦長のイオンビームを生成す
るイオン源と、縦長イオンビームの通路を有する縦長の
ヨークと、ヨークの中央部に巻かれた主コイルＭ１、Ｍ
２と、主コイルに並んでヨークの一方の端部に巻かれた
第１補助コイルＡ１、Ａ２と、主コイルと並んでヨーク
の他方の端部に巻かれた第２補助コイルＢ１、Ｂ２とよ
りなりイオンビーム通路の長辺側である縦方向に磁場を
発生する縦長の質量分析磁石と、質量分析磁石によって
分離された軽イオンを遮断するシャッタと、質量分析磁
石によって分離された軽イオン以外のイオンビームが注
入されるように試料を保持しイオンビームの長手方向と
直交する方向に試料を移動させる試料保持機構とよりな
ることを特徴とするイオン注入装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12311097A JP3371753B2 (ja) | 1997-04-25 | 1997-04-25 | イオン注入装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12311097A JP3371753B2 (ja) | 1997-04-25 | 1997-04-25 | イオン注入装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10302707A JPH10302707A (ja) | 1998-11-13 |
| JP3371753B2 true JP3371753B2 (ja) | 2003-01-27 |
Family
ID=14852432
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12311097A Expired - Fee Related JP3371753B2 (ja) | 1997-04-25 | 1997-04-25 | イオン注入装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3371753B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101996871A (zh) * | 2009-08-11 | 2011-03-30 | 汉辰科技股份有限公司 | 以离子束均匀布植晶圆的方法 |
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| JP4326756B2 (ja) | 2002-07-04 | 2009-09-09 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | ドーピング方法、ドーピング装置の制御システム、およびドーピング装置 |
| US6881966B2 (en) * | 2003-05-15 | 2005-04-19 | Axcelis Technologies, Inc. | Hybrid magnetic/electrostatic deflector for ion implantation systems |
| US20050061997A1 (en) * | 2003-09-24 | 2005-03-24 | Benveniste Victor M. | Ion beam slit extraction with mass separation |
| JP4954465B2 (ja) | 2004-11-30 | 2012-06-13 | 株式会社Ｓｅｎ | イオンビーム／荷電粒子ビーム照射装置 |
| US7442631B2 (en) | 2005-02-10 | 2008-10-28 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Doping method and method of manufacturing field effect transistor |
| JP4882456B2 (ja) * | 2006-03-31 | 2012-02-22 | 株式会社Ｉｈｉ | イオン注入装置 |
| KR100755069B1 (ko) * | 2006-04-28 | 2007-09-06 | 주식회사 하이닉스반도체 | 불균일한 이온주입에너지를 갖도록 하는 이온주입장치 및방법 |
| JP4582065B2 (ja) * | 2006-07-25 | 2010-11-17 | 日新イオン機器株式会社 | 分析電磁石、その制御方法およびイオン注入装置 |
| JP4640316B2 (ja) * | 2006-11-02 | 2011-03-02 | 日新イオン機器株式会社 | 電磁石および電磁コイルおよび電磁コイルの製造方法 |
| JP4930778B2 (ja) * | 2007-02-07 | 2012-05-16 | 株式会社Ｉｈｉ | 質量分離電磁石 |
| CN108496238B (zh) | 2016-02-05 | 2020-05-19 | 株式会社日立高新技术 | 场电离离子源、离子束装置以及光束照射方法 |
-
1997
- 1997-04-25 JP JP12311097A patent/JP3371753B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101996871A (zh) * | 2009-08-11 | 2011-03-30 | 汉辰科技股份有限公司 | 以离子束均匀布植晶圆的方法 |
| CN101996871B (zh) * | 2009-08-11 | 2012-12-26 | 汉辰科技股份有限公司 | 以离子束均匀布植晶圆的方法 |
Also Published As
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|---|---|
| JPH10302707A (ja) | 1998-11-13 |
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