JP3371754B2 - Ion implanter - Google Patents

Ion implanter

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JP3371754B2
JP3371754B2 JP12311197A JP12311197A JP3371754B2 JP 3371754 B2 JP3371754 B2 JP 3371754B2 JP 12311197 A JP12311197 A JP 12311197A JP 12311197 A JP12311197 A JP 12311197A JP 3371754 B2 JP3371754 B2 JP 3371754B2
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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。特に不
要イオンを除き、質量の近似した複数の有用なイオン種
は試料に注入されるようにしたイオン注入装置に関す
る。例えば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。 【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
体は余り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。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(B26 )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。 【0006】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。 【0007】4.質量分析しないイオン注入法としてさ
らに、PIII法(Plasma ImmersionIon Implantatio
n)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。 【0008】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。 【0009】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。
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。目的の元素を含むイオン種であっても質量の
大きく異なるイオン種群を区別して、質量の近似するイ
オン種のみを注入するようにし注入深さの分布を均一に
する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。 【0010】第1の目的は例えば、水素イオンなど不要
な軽イオンを排除するということである。高速のH2 +
+ イオンなどが試料に注入されるとチャンネルに欠陥
が生ずることがあるし、運動エネルギーが解放されるの
でウェファを過熱してしまう。第2の目的はより微妙な
ものである。あるドーパントを注入する場合、それを含
むイオン種が幾つもあるとする。質量が違うイオン種が
注入されると深さが著しく異なる。注入深さがばらつく
と接合などの特性が悪くなる。接合はある局在した地点
に形成されるべきである。ドーパントの注入深さがテイ
ルを長く引くようではいけない。 【0011】それで目的のドーパントを含むイオン種で
あっても、所定の範囲の質量のものだけを注入するよう
にするのである。例えばボロンをドーパントとする場合
に、原料ガスとしてジボランを用いると、ボロン一つを
含むイオンB+ 、BH+ 、BH2 +などと、ボロン二つを
含むイオンB2 +、B2+ 、B22 +、…などが発生す
る。その場合、ボロン一つを含むイオンは軽いので結晶
の奥深くまで進入する。これが注入深さをばらつかせ
る。反対にボロン二つを含むイオン種はB2 +〜B26 +
までいくつもあるが、これらは質量数が近似しており注
入深さに分布を作らないから全部注入しても差し支えな
い。むしろボロン2つを含むイオン種全部を注入するほ
うが原料ガスを有効利用でき、注入処理を短縮できるの
で有用なのである。 【0012】 【課題を解決するための手段】本発明の装置は、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
もつ縦長の帯状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A
1、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とよりなる縦長の質量
分析磁石と、イオンビームの分布を調べるための位置検
出器と、質量分析磁石によって分離されたイオン種のう
ち所望の範囲の質量数をもつイオン種だけを通過させそ
れ以外の質量数のイオン種を遮断するスリットと、スリ
ットを通過した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。 【0013】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W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。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。これ
が問題である。細いビームを曲げるのは磁極間距離が短
いので簡単である。縦長帯状のビームでも、縦方向に曲
げるのは、磁極間距離が短いので比較的簡単である。し
かし縦方向に曲げる場合はかなり大きい角度で曲げない
と質量分析できないので、質量分析マグネットが大がか
りになる。本発明は縦長のビームを横方向に曲げようと
する。つまり短辺の方向に曲げるのである。曲がり角度
はさほど必要でないが、磁極間の距離が長いのでやはり
難しい。ヨーク断面積を広くしコイルの巻き数と電流の
積ATを増やせば、磁極間が長くてもある程度の磁束密
度を空間に形成することができる。しかしその場合でも
縦方向に一様な磁束密度を作り出すのはひときわ難し
い。 【0014】どうして縦方向に一様磁場を作らないとい
けないのか?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。縦長のビームの全体にわ
たって一様な磁場ができれば、初め矩形断面ビームであ
れば、質量分析した後も矩形断面である。 【0015】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。 【0016】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。縦長の開口を有する
スリットによって所望の範囲の質量数のイオン種だけを
選び対象物(ウェファ)に注入する。対象物(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。 【0017】 【発明の実施の形態】図1は本発明のイオン注入装置の
概略縦断面図である。図2は同じものの横断平面図であ
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。ビームの縦長
さをTとする、横幅は2dとする。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、 【0018】 ByR=(2MV/q)1/2 (1) 【0019】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。軽い
イオンはビーム5のように大きく曲がる。重いイオンは
ビーム4のように殆ど曲がらない。軽いイオンは水素の
イオン(H+ 、H2 +、H3 +)などを意味する。重いイオ
ンは、先ほどのBドープの例では、ボロンひとつのB
+ 、BH+ 、BH2 +などと、ボロン二つのB2 +、B2
+ 、〜、B26 +などである。 【0020】イオンビームの行路中に進退自在に、スリ
ット7と、位置検出器11とを設ける。スリット7は縦
長の穴8を有する板であり、ビームの短辺方向(x方
向)に変位できるようになっている。穴8を通過したイ
オンだけがウェファに到達する。穴8の幅εはイオン注
入すべきイオンの質量分布の幅に従って決めれば良い。 【0021】位置検出器11ははじめにイオンビームの
空間分布を調べる為のものである。xy方向に広がる縦
長のビームのプロフィルを観測するために、二次元的な
分解能を有する位置検出器である必要がある。二次元格
子状にイオン検出部が並んだファラディカップを用いる
ことができる。また一次元位置検出器でも、一次元アレ
イと直交する方向に変位させて二次元分布を測定するこ
ともできる。 【0022】位置検出するのはビームの立ち上がりの時
と、マグネットによってビームを曲げた時にビーム断面
形状が適当であるかどうかを調べる時とだけである。実
際にイオン注入する場合は、位置検出器11を引き込
み、代わりにスリット7を前面に出す。スリット7の縦
長の穴8を透過したイオン種だけが試料6に到達しイオ
ン注入される。 【0023】さて質量分析について説明する。本発明
は、ビームの長辺(y方向)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。ふた
つの問題を指摘しなければならない。ひとつは磁極間の
距離が余りに長い(例えば40cm)ので、磁気回路の
抵抗が大きいため余程大きい起磁力(AT)を与えなけ
ればならないということである。起磁力を与えるだけな
ら大電流を流せば良いのであるが、するとヨークが飽和
する惧れがある。 【0024】もうひとつは磁極間の磁束密度の不均一性
である。単に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。するとイオン源か
ら出たときは矩形断面を持っていても、磁石を通過する
と弓形断面に歪んでしまう。単にビーム断面が湾曲する
だけならスリットの穴8も併せて湾曲させれば済む事で
ある。しかし湾曲するだけでなく、y=0から離れた部
位で、質量の異なるイオン種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。ビーム断面が
歪まないようにしなければならない。 【0025】初めのヨーク飽和の問題について初めに述
べる。磁極間隔をgとし、磁極間の真空での磁束密度を
Bとすると、ヨークに与える起磁力NIは、 【0026】NI=Bg/4π×10-7 (2) 【0027】によって大体評価できる。ヨークの透磁率
は真空の透磁率に比べて十分に大きいので、ヨークでは
起磁力をほとんど消費せず、起磁力の殆どは磁極間に掛
かる。4π×10-7というのは真空の透磁率である。g
を40cmと仮定すると、真空中での磁束密度を600
ガウス(0.06テスラ)として、NI=19100A
Tとなる。このような起磁力の場合ヨークを十分厚くす
れば、ヨーク中の磁束密度を5kG〜6kG程度にでき
る。この程度であれば通常のヨークに使われる強磁性体
は飽和しない。 【0028】次の問題は縦方向(y方向)の磁束密度の
不均一性である。磁場形成が不均一であると、ビームの
曲がりが縦方向において不均一になるから質量分離が不
完全になる。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1にも表れるように、ヨークの
長手方向に沿って、主コイル、補助コイルなど6個独立
制御できるコイルを設けてヨーク内面での磁束密度の漏
れを防ぐようにしている。 【0029】図3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方向の枠をX
枠、y方向の枠をY枠と呼ぶことにする。Y枠には、右
回りに6つのコイル、A1、M1、B1、B2、M2、
A2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発生させる。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、B2がある。これも上向
きの磁束を発生させる。 【0030】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。 【0031】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By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。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。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へ戻りさらにA1、
M1,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5は主コイルM1、M2だけに2000
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。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700ガウスになる。しか
し両端部y=±15cmでは570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=±15〜20cmの付近を
通るビームは曲がりが小さい。 【0034】そこで両側に補助コイルA1、B1、A
2、B2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6は主コイルM1、M2にそれ
ぞれ10000ATの電流を流し、補助コイルA1、A
2、B1、B2にはそれぞれ5000ATの電流を流し
た時のy方向の磁束密度By(y)を示す。反対に中央
部ではByが弱くて570ガウスである。y=±15c
mでは、680ガウスになる。主コイル電流と補助コイ
ル電流を相互にバランス良く与える事によって、y方向
に一様なBy(y)を発生させることができる。目的に
よっては図6のような逆転分布も有用である。 【0035】初めにマグネットに電流を流さない状態で
イオンビームを発生させ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
分布を求める。イオンビームは直進して位置検出器11
に入る。これによって矩形(帯状)ビームの形状が分か
る。次に、主コイルM1、M2に電流を流しビーム分布
の変形をみる。y=0の近傍が特に強く曲がるから矩形
ビームが変形する。また、これによって質量分離がなさ
れる。しかしビームが歪んでいる。 【0036】補助コイルにも電流を流し、ビームの断面
の変形をモニタする。水素などの軽いイオンのビーム
と、ボロンをひとつ含むイオンのビームと、ボロンをふ
たつ含むより重いイオンのビームの3つに分かれる。そ
れぞれのビームが初めのビームと同様な断面のビームに
なるように補助コイル、主コイルの電流を調整する。さ
らにボロンふたつを含むイオンだけが穴8を通過できる
ように、スリット7の位置を決める。以後はスリット
7、コイル電流を固定し、ウェファをx方向に移動させ
ながら、ボロンふたつを含むイオンをウェファ面に注入
する。ウェファはx方向の並進だけで全面にビームを注
入できる。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。 【0037】 【実施例】直径30cmのシリコンウェファにBイオン
をドープする場合について説明する。ヨーク開口部は縦
方向の長さ(磁極間距離)が40cmであり、横方向の
長さが30cmである。磁極の流れ方向(z方向)の厚
みは20cmである。ヨークにはふたつの主コイル、4
つの補助コイルが巻いてある。コイルの断面は補助コイ
ルが5cm×10cmで、主コイルは5cm×20cm
である。図2に示すようにマグネットの軸方向と、イオ
ン源の軸方向は初めから6.15゜ずれている。マグネ
ットの軸方向と、ウェファの軸方向とは初めから、6.
15゜ずれている。ヨークの磁極(U点とD点の近傍の
対向面)がセクタポール成分を持つように平面でなくて
67.47cmの曲率半径を与えている。これによって
Byを1として、0.000449(x2 /R2 )の2
次成分を実現できる。磁極の厚みは20cmであるがz
方向の実効的な磁場の広がりは61.6cmである。 【0038】ホウ素をドープする場合を説明する。原料
ガスは、ジボランB26 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。加速エネルギーは20keV
である。縦長のイオン源1から高さが40cm、横幅が
5cmの帯状のイオンビームを発生させる。初めは磁場
を懸けずビームを直進させビーム前方の二次元の位置検
出器11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。質量分析してないのでひとつのピークが現
れる。縦長ビームプロフィルの初めの形が分かる。 【0039】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、水素イオンやボ
ロンイオンは重なったピークを作っている。ビーム断面
はイオン源から出たときと同じような、40cm×5c
mの大きさを持っている。 【0040】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5のよう
になる。イオンビームはx方向に曲がり、ピークがほぼ
3つに分離する。水素だけを含む軽いイオンビーム5
(図2)は最も良く曲がる、ホウ素をひとつ含むイオン
ビーム13は次に良く曲がる。ホウ素ふたつを含むビー
ム4は曲がりにくいので外側に分離する。此の状態で
は、おのおののビーム5、13、4が歪んでいる。 【0041】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。
各々のイオンのビーム5、13、4の分布がもとの矩形
状(帯状)になり完全に分離できればよい。その状態で
主コイル、補助コイル電流を固定する。この時の縦磁束
密度はy=0、x=0で567.46ガウスであった。 【0042】マグネットに対して、イオン源も、ウェフ
ァもx方向に6.15゜傾けているから、ビームは大体
マグネット中央部を通過できる。またビームはウェファ
にほぼ直角に入射する。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。 【0043】水素だけを含むイオンの分離は図2によう
にマグネットの経路で起こり問題ない。ここで問題にす
るのは、ホウ素ひとつ含むイオン(BHn)と、ふたつ
含むイオン(B2 Hn)である。何れも一価イオンを想
定している。右肩の+符号を簡単の為に省略する。 (1)ホウ素ひとつを含むイオン(モノマー)…B、B
H、BH2 、BH3 (2)ホウ素ふたつを含むイオン(ダイマー)…B2
2 H、B22 、B23 、B24 、B25 【0044】いずれの群もホウ素を含むので注入すれば
p型不純物となるが、エネルギーが同一で質量が違うの
で、モノマーはより深くまで入り込む。両者が混在する
と深さ分布に大きいばらつきが生ずる。それでも良いと
いう場合ももちろんある。 【0045】しかし浅い接合を作りたいという要求もあ
る。その場合は、質量の大きいダイマーだけを注入する
必要がある。そのためにモノマーをスリットによって遮
断しなければならない。ホウ素ひとつのものでBH3
最も重いが、これは質量数が14である。ホウ素ふたつ
のものはB2 が最も軽くて質量数が22である。最も重
いのはB25 で質量数が27である。スリットの穴の
広さを適当に選んで、質量数が22〜27のダイマーを
全部通すようにすることは可能である。またモノマーを
全部落とすようにすることも可能である。 【0046】但し、ある範囲の質量数のイオンのウェフ
ァでのx方向広がりをΔmとすると、スリットの穴の幅
がΔmであれば良いということではない。イオン源から
出た時にビームには有限の幅2dがあるから、スリット
の穴は、Δm+2dの幅を持てば、その質量数範囲の全
部のイオンを通すようにできる。しかしそうすると、モ
ノマーのような質量数の近似した不要なイオンも通る可
能性が出てくる。それでスリットの穴の幅は、{Δm2
+4d21/2 の程度に小さくしてもよい。これである
と所定質量数範囲の全部のイオンを通すことはできない
が、大部分のものは通し得る。そのような場合に必要な
磁場や、磁場の範囲を次に計算する。 【0047】図4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。モノマー(BH
n)は点Cを中心として小さい半径R1 の円弧を描く。
中心角をΘ1 とする。モノマービームは入口で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。ダイマーイオンは、点Eを中心として大
きい半径R2 の円弧を描く。中心角をΘ2 とする。ダイ
マービームも入口でJHGの幅を持つから、出口でもN
MKの広がりを持つ。 【0048】ダイマー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。モノマー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
あれば、スリットの穴の端をPN間に置く事によってモ
ノマー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。 【0049】 R1 =(M1 V)1/2 /0.69B (3) 【0050】 R2 =(M2 V)1/2 /0.69B (4) 【0051】ここで半径Rの単位はcm、磁束密度の単
位はテスラ、M1 、M2 は質量数である(M1 の最大値
=14、M2 の最小値=22)。加速電圧Vの単位は1
0keVである。磁場領域Lでのビーム曲がりの中心角
Θ2 、Θ1 は、 【0052】R1 sinΘ1 =L (5) 【0053】R2 sinΘ2 =L (6) 【0054】によって決まる。 【0055】 FN=R2 −R2 cosΘ2 +d (7) 【0056】 FP=R1 −R1 cosΘ1 −d (8) 【0057】である。分離の条件は FP>FNである
から、 【0058】 R1 −R1 cosΘ1 −d>R2 −R2 cosΘ2 +d (9) 【0059】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2.5cm、ビームエネル
ギーを20keVとして、分離すべきイオンをBH3
(14)イオンと、B2 (22)イオンとすると、必要
な磁束密度は500ガウス程度になる。枠型のヨークを
使った電磁石によって発生させることのできる範囲の磁
束密度である。ここでは、縦磁束密度Brは567.4
6ガウスとしている。ダイマーとモノマーを分離できる
に十分な磁束密度である。この例では、ダイマーに対し
て磁石によるビーム曲率半径は168cmであった。 【0060】 【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。 【0061】ボロンを注入する場合、ボロンひとつのイ
オンと、ボロンふたつのイオンを分離して、後者だけを
注入できる。浅い接合を形成するとき、深さ分布のばら
つきが問題になる。本発明はダイマーだけを選び、モノ
マー(BHn)を落とすことができるので、浅い接合の
形成に最適である。必要な重いイオンが複数種(B2
25 )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】ビームスリットが設けられているから、イ
オン源から発生するパーティクルがウェファに到達する
のを防ぐことができる。パーティクルによるウェファの
汚染を避けることができる。反対に、注入によって発生
するレジスト散乱物がビームラインに逆流する現象をも
防ぐことができる。曲げ角度が小さくビームラインが短
い。この例ではビームラインを100cm以下にするこ
とができる。従って空間電荷効果によるビーム発散が抑
制されビームの損失が少ない。 【0063】縦長イオンビームを横に曲げるので、ビー
ム偏向の中心軌道(x=0面)の外側(x>0)と内側
(x<0)でビームの走行距離が等しい。これはビーム
の幅(2d)が狭いためである。飛行距離が等しいか
ら、ビームが飛行する間にガス分子と衝突し荷電変換に
より中性分子になる確率が断面のどこでもほぼ同一にな
る。これはウェファでの注入均一性を悪化させる原因を
除去できるということである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a semiconductor wafer,
Large current ions for large workpieces such as glass substrates
The present invention relates to an ion implantation apparatus for realizing implantation. Especially
Multiple useful ion species with similar masses, except for ions of interest
Refers to the ion implanter that is to be implanted into the sample.
You. For example, in the case of Si wafer, boron, phosphorus, arsenic
Ion implantation to dope p-type and n-type impurities
Often. To increase throughput, use a uniform
An apparatus for doping with a high distribution and a high speed is desired. [0002] 2. Description of the Related Art Conventional high current ion implanters are roughly classified.
There are two types. One is thin (0-dimensional spread
High quality ion beam with fan magnet
Rotation that translates and rotates only the desired ion species by mass analysis
Irradiates the workpiece (wafer) placed on the target
Is what you do. Fan magnet because it is a thin ion beam
Is easy to separate by mass. But the beam itself
Irradiates the entire surface of the wafer as the body does not have much spread
To do so, the wafer must be translated and rotated.
Two-dimensionally at the end station supporting the wafer
You need to move the wafer. [0003] Another is a large-diameter ion source to a large-diameter ion source.
Extract ion beam and illuminate wafer without mass analysis
To shoot. The diameter of the wafer is W and the ion source
Let D be the diameter of the ion beam extracted from. D>
Since a large diameter W ion beam is generated, the wafer
Need not be scanned. [0004] [Problems to be solved by the invention] 1. In the method using a rotating target, a thin 0-dimensional beam
The beam optics are simple because they generate a beam. However
End stations that must perform rotational translation
The structure of is complicated. The disk with the wafer is high
Fast rotation and proportional to the ion beam current.
Translational speed control must be performed in proportion.
Also, as the beam current density at the wafer increases,
The charge-up phenomenon becomes remarkable. Charge up is positive
Or charge does not escape when negative ion beam is implanted,
This is a phenomenon in which electric charges are accumulated on a surface such as a wafer. This
Damage to devices on the surface of the wafer
Is also undesirable. Ion implantation into large diameter wafers
This rotation is actually used as a method
Although the target method is used, there is such a disadvantage. [0005] 2. Large-diameter ion source non-mass separation method
Since the system optical system is only an ion extraction system,
The result is even simpler. End station structure
Simple. However, large-diameter ion beams are mass analyzed
Can not distinguish between ion species other than desired ion
Instead, it is injected into the wafer. Note on impurity ions
In some cases, the desired characteristics may not be obtained due to the insertion. In addition
The injection depth distribution is
It changes depending on the state of the plasma. Constant injection depth
Another drawback is that the device characteristics are difficult to maintain
You. For the latter, for example, if boron
If diborane (BTwo H6 ) Is used as a source gas
You. At this time, hydrogen ions are injected into the wafer along with boron.
Is entered. Since the implanted hydrogen is fast, gate oxidation
May penetrate the membrane and be injected into the channel layer.
You. This causes lattice defects in the channel below the gate electrode.
May cause. All ion energy is converted to heat
But ions other than the desired ion species (eg, hydrogen
Ion), which heats the sample
Would. Device on sample is destroyed by temperature rise
There is a fear. [0006] 3. The disadvantage of the large-diameter ion source system is that much
is not. 8 inch wafer and 12 inch wafer
When trying to implant ions into a large area substrate
Injection uniformity within several% is required everywhere on the face
It is. An ion beam with such a large area and uniform beam density
Realizing the source is an extremely difficult technique. Large diameter ion source
At present, small area wafers with less demanding injection uniformity
Can only be used for Fah. [0007] 4. Ion implantation without mass spectrometry
In addition, the PIII method (Plasma ImmersionIon Implantatio)
n) has been proposed. Shu Qin and Chung C
han, "Plasma immersion ion implantaion doping exper
iments for microelectronics ", J.Vac.Sci.Technol. B
12 (2), (1994) p962. This is the Si wafer in plasma
By applying a negative voltage to the wafer
By accelerating ions in the sheath region and implanting them into the wafer
is there. Using the sheath voltage to extract the ion beam
Therefore, no extraction electrode is required. Often impurities are
The electrode was sputtered. in this way
There is no possibility that impurities generated from the electrodes are mixed. So
This means that mass spectrometry does not have to be performed. However, unnecessary arising from the elements contained in the raw material gas
ON cannot be excluded. The above-mentioned boron doping field
In this case, diborane is used as the source gas, but hydrogen ions
Injected into wafer. Same for hydrogen ion and boron ion
With the same acceleration energy. The hydrogen ion implantation
Fa is overheated. During injection to increase throughput
When the time is shortened, the temperature rise due to hydrogen implantation becomes remarkable.
Therefore, the injection time cannot be shortened too much. To one wafer,
1.9 × 10 in 10 minutesFifteencm-2Density ion injection
Has been reported to have entered. This will increase throughput
Too low. I want to implant ions within one minute
You. In fact, this method does not appear to be practical. [0009] 5. Until now, a zero-dimensional beam (cross section
Mass spectroscopy of the beam at point 2) and a two-dimensionally scanned wafer
Beam injection into large diameter two-dimensional beam (cross section)
Of a stationary beam without mass analysis
And the method of injecting into the plasma without using an ion source.
The PIII method of implanting ions into a wafer has been described. 2
Mass spectrometry in the second large-aperture ion beam method
If so, the problem should be resolved. But a large beam
Attempts to mass spectrometer have not yet been realized.
Light elements such as hydrogen can be removed by mass separation.
It is a first object of the present invention to provide an ion implantation apparatus
It is a target. Even if the ion species contains the target element,
Distinguish ion species that differ greatly, and
Uniform implantation depth distribution by implanting only ON species
It is a second object of the present invention to provide an ion implanter
It is a target. Provide high-throughput ion implantation equipment
Is a third object of the present invention. The first object is, for example, no need for hydrogen ions.
That is, to eliminate light ions. High speed HTwo +,
H+ Channels are defective when ions are injected into the sample
And kinetic energy is released
Overheats the wafer. The second purpose is more subtle
Things. If a certain dopant is implanted,
Suppose there are several ionic species. Ion species with different masses
When implanted, the depth varies significantly. Injection depth varies
And the properties such as bonding deteriorate. A junction is a localized point
Should be formed. Dopant implantation depth
Don't pull it long. [0011] Therefore, the ionic species containing the desired dopant
Even if it is, be sure to inject only those with a mass within the specified range.
It is. For example, when using boron as a dopant
In addition, if diborane is used as a source gas, one boron
Containing ion B+ , BH+ , BHTwo +And two boron
Containing ion BTwo +, BTwo H+ , BTwo HTwo +,… Etc. occur
You. In that case, the ion containing one boron is light,
To go deep inside. This varies the implantation depth
You. Conversely, the ion species containing two borons is BTwo +~ BTwo H6 +
However, these are similar in mass number and
Since there is no distribution at the depth of inflow, it is safe to inject all
No. Rather, implanting all the ion species including two borons
The raw material gas can be used effectively and the injection process can be shortened.
It is useful. [0012] SUMMARY OF THE INVENTION The apparatus of the present invention comprises
Width smaller than the sample diameter and vertical width larger than the diameter.
An ion source that produces a vertically elongated ion beam
A vertically long yoke having a long ion beam path, and a yoke
The main coils M1 and M2 wound around the center of the
First auxiliary coil A wound side by side at one end of the yoke
1, A2 and wound around the other end of the yoke alongside the main coil.
Vertically long mass consisting of the inserted second auxiliary coils B1 and B2
Analysis magnet and position detection to check the distribution of the ion beam
And the ion species separated by the mass spectrometer magnet
That is, only ions having a mass number in a desired range
Slits to block ion species with mass numbers other than
The sample so that the ion beam that has passed through the
Hold the sample in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the ion beam.
And a moving sample holding mechanism. The apparatus of the present invention first emits a vertically elongated ion beam.
There is a first feature in that it is generated. Sample
Since a vertically long beam larger than the diameter W is used, the sample
It only needs to be moved in the lateral direction of the system. For injection time
Can be shortened and the throughput is improved. However
When trying to bend a vertical beam with a magnet,
Since the magnetic pole interval is extremely long, a uniform magnetic field is unlikely to occur. this
Is the problem. Bending a narrow beam requires a short distance between magnetic poles
It's easy. Even if the beam is vertically long,
Mounting is relatively simple because the distance between the magnetic poles is short. I
Do not bend at a considerably large angle when bending in the vertical direction
Mass spectrometry magnets
It will be. The present invention attempts to bend a long beam horizontally.
I do. That is, it is bent in the direction of the short side. Bend angle
Is not so necessary, but because the distance between the magnetic poles is long,
difficult. Increase the yoke cross-section to increase the number of coil turns and current
If the product AT is increased, a certain amount of magnetic flux
Degrees can be formed in space. But even in that case
It is extremely difficult to produce a uniform magnetic flux density in the vertical direction.
No. Why should a uniform magnetic field be created in the vertical direction
Can't you? If not a uniform magnetic field, the bend angle depends on the location
Because the degree is different, the cross section of the beam will be distorted and correctly
Mass spectrometry cannot be performed. Whole vertical beam
If a uniform magnetic field can be obtained, a beam with a rectangular cross section
If so, it is a rectangular cross section even after mass analysis. Accordingly, the present invention provides a method for long magnetic pole intervals.
It is devised so that such a magnetic field can be formed. Yo
Main coil, first auxiliary coil, second auxiliary coil
A uniform magnetic field between long magnetic poles
I let them live. [0016] A uniform longitudinal magnetic field causes the longitudinal beam to
Bend to the side and mass separate the ions. Has a vertically elongated opening
Slits allow only ion species in the desired range of mass numbers
Inject into the selected object (wafer). The object (sample)
The beam moves in a direction perpendicular to the long side of the beam
Thus, the ion beam can be implanted over the entire surface of the sample. [0017] FIG. 1 shows an ion implantation apparatus according to the present invention.
It is a schematic longitudinal cross-sectional view. FIG. 2 is a cross-sectional plan view of the same.
You. If the vertically elongated ion source 1 is the vertically elongated ion outlet 2
Thus, a band-like (vertical) beam 3 is generated. Beam length
The width is 2d. Sample (wafer)
Assuming that the diameter is W, the vertical length T of the beam is larger than W,
The width 2d of the beam is smaller than W (T> W> 2d). Bi
In the path of the beam 3, there is a longitudinal magnetic field By parallel to the long side T of the beam.
Is formed. Here, the coordinate system is defined. Beam
The traveling direction is the z direction, the direction of the short side of the longitudinal beam is the x direction,
The direction of the beam long side is defined as the y direction. Strip beam 3 is longitudinal
Under the Lorentz force for the field By, it turns in the x direction. Song
If the rate radius is R, [0018] ByR = (2MV / q)1/2       (1) ## EQU1 ## q is the charge, V is the extraction voltage, M is the quality
Quantity. Heavy ions have a large R. In other words, it is hard to bend
No. Light ions have a small R. That is, it is easy to bend. light
The ions bend like a beam 5. Heavy ions
It hardly bends like beam 4. Light ions are hydrogen
Ion (H+ , HTwo +, HThree +). Heavy io
In the example of B doping described above, one boron
+ , BH+ , BHTwo +And boron two BTwo +, BTwo H
+ , ~, BTwo H6 +And so on. [0020] A slide is provided so as to be able to move back and forth during the path of the ion beam.
And a position detector 11. Slit 7 is vertical
A plate having a long hole 8 in the short side direction (x direction) of the beam.
Direction). A passed through hole 8
Only ON reaches the wafer. The width ε of the hole 8 is ion injected
What is necessary is just to determine according to the width of the mass distribution of the ion to be input. The position detector 11 first detects the ion beam.
It is for examining the spatial distribution. Vertical spread in xy directions
To observe the long beam profile,
It must be a position detector having a resolution. Two-dimensional case
Use a Faraday cup with ion detectors arranged like a child
be able to. In addition, the one-dimensional position detector
Measure the two-dimensional distribution by displacing in the direction perpendicular to
Can also be. The position is detected when the beam rises.
And the beam cross section when the beam is bent by the magnet
It's only time to see if the shape is appropriate. Real
When ion implantation is performed, pull in the position detector 11
Instead, put the slit 7 on the front. Vertical of slit 7
Only the ion species that have passed through the long hole 8 reach the sample 6 and
Is injected. Now, mass spectrometry will be described. The present invention
Creates a uniform magnetic field By in the long side (y direction) of the beam
However, this attempts to mass analyze the beam. Lid
One problem must be pointed out. One is between the magnetic poles
Because the distance is too long (for example, 40 cm)
Due to the large resistance, it is necessary to give a large magnetomotive force (AT)
It must be. Just give the magnetomotive force
A large current should flow, but then the yoke saturates
There is a fear. The other is non-uniformity of magnetic flux density between magnetic poles
It is. Simply put the coil in a yoke consisting of an elongated closed loop
In the case of rolled material, uniform due to magnetic flux leakage from the yoke surface
The magnetic field cannot be formed. Strong at the center, at both ends
It becomes a weak magnetic field. It bends strongly near y = 0 and y = 0
When you move away from it, you will bend weakly. Then it's an ion source
When passing out, even though it has a rectangular cross section, it passes through the magnet
And it will be distorted in the bow section. The beam cross section simply curves
If you only need to bend the hole 8 of the slit together
is there. However, it is not only curved, but also a part away from y = 0
Of the ion species with different masses overlap
I will. Here, the mass separation becomes incomplete. Beam cross section
It must not be distorted. First, the problem of yoke saturation is described first.
Bell. Let g be the magnetic pole interval, and let the magnetic flux density in a vacuum between the magnetic poles be
B, the magnetomotive force NI applied to the yoke is NI = Bg / 4π × 10-7        (2) Can be roughly evaluated. Yoke permeability
Is sufficiently large compared to the magnetic permeability of vacuum,
It consumes almost no magnetomotive force, and most of the magnetomotive force is applied between the magnetic poles.
Call 4π × 10-7That is the vacuum permeability. g
Is 40 cm, the magnetic flux density in vacuum is 600
NI = 19100A as Gauss (0.06 Tesla)
It becomes T. In the case of such a magnetomotive force, make the yoke thick enough.
Then, the magnetic flux density in the yoke can be reduced to about 5 kG to 6 kG.
You. Ferromagnetic material used for ordinary yoke if this degree
Does not saturate. The next problem is that the magnetic flux density in the vertical direction (y direction)
Non-uniformity. Inhomogeneous field formation can lead to beam
Since the bending becomes uneven in the vertical direction, mass separation is
Be complete. Therefore, the present invention is specially designed to form a uniform longitudinal magnetic field.
We have another ingenuity. As can be seen in FIG.
Six independent coils such as main coil and auxiliary coil along the longitudinal direction
Provide a controllable coil to prevent magnetic flux density leakage inside the yoke.
I try to prevent that. FIG. 3 shows the yoke 10 and the six coils.
I have. The yoke constitutes a ferromagnetic closed magnetic path. Rectangular
It is long in the y direction and short in the x direction. X frame in x direction
The frame and the frame in the y direction are called Y frames. Right in the Y frame
Six coils around, A1, M1, B1, B2, M2,
A2 is provided. The center main coils M1 and M2 are
Is also a coil with many turns. The winding direction is the same
In each case, an upward magnetic flux is generated. Vertical circulation
It does not create a mold flux. Below the main coil
Have first auxiliary coils A1 and A2. This is also the winding direction
They are the same and generate an upward magnetic flux. From the main coil
Above there are second auxiliary coils B1, B2. This is also upward
To generate magnetic flux. That is, this yoke has a closed curved magnetic path.
However, the magnetic flux created by the coil
It is not something that goes around. Three coils in the left Y frame
B1, M1, and A1 all provide an upward magnetic flux. Right Y
The three coils B2, M2, and A2 in the frame also generate an upward magnetic flux.
create. The magnetic flux collides at the center U of the X frame, and from the yoke up and down
Jump out. When the yoke is projected upward, the yoke is enlarged.
The outer frame returns to the center d of the X frame on the opposite side. This is a magnetic
The loss of the bundle. Those that have jumped downwards
It becomes the magnetic flux density By. This penetrates the mass analysis space 12 vertically.
Then, it returns into the yoke at the center D of the lower X frame. Like this
In the workpiece 10, the magnetic poles are formed at the midpoints U and D of the upper and lower X frames. right
The magnetic flux on the side passes through A2, M2, and B2 from bottom to top, and
Descends from the middle point U of the upper frame of the
Return to the middle point D of the lower frame and pass through A2, M2 and B2
Draw a closed loop. The magnetic flux on the left is below A1, M1, B1
From above, descend from the middle point U of the upper frame of the yoke 10
After passing through beam 3, return to the middle point D of the lower frame,
Draw a closed loop passing through M1 and B1. As described above, the magnetic flux is strong at the middle points U and D of the X frame.
Collision and the magnetic field energy increases here,
Leakage of magnetic flux from the yoke nearby is large. This is the problem
is there. If there is only a pair of main coils M1 and M2,
By is uniform in y direction due to magnetic flux leakage in the middle of the yoke
No. FIG. 5 shows that only the main coils M1 and M2
A current of 0 AT flows, and the auxiliary coils A1, A2, B1, B
2, the y direction of the magnetic flux density By (y) when no current is applied
It is a distribution of directions. The length of the yoke opening in the y direction is 40c.
Assuming that m is 700 gauss at the center y = 0. Only
And at both ends y = ± 15cm, it becomes only 570 gauss
No. By becomes non-uniform in the y direction. pass near y = 0
The beam bends strongly, but around y = ± 15-20cm
The passing beam has a small bend. Therefore, auxiliary coils A1, B1, A
2 and B2 are provided and a large current is passed through them to
To increase the magnetic field. FIG. 6 shows the main coils M1 and M2
A current of 10000AT is applied to each of the auxiliary coils A1, A
A current of 5000AT is applied to each of 2, B1 and B2.
7 shows the magnetic flux density By (y) in the y-direction at the time of turning on. Conversely, central
In the part, By is weak and 570 gauss. y = ± 15c
At m, it is 680 Gauss. Main coil current and auxiliary coil
Current in a well-balanced manner,
, A uniform By (y) can be generated. On purpose
Therefore, an inverted distribution as shown in FIG. 6 is also useful. First, with no current flowing through the magnet
Position detector with two-dimensional resolution that generates an ion beam
11 (Faraday cup etc.)
Find the distribution. The ion beam goes straight and moves to the position detector 11.
to go into. This helps to determine the shape of the rectangular (strip) beam.
You. Next, a current is applied to the main coils M1 and M2 to distribute the beam.
Look at the deformation of. Since the vicinity of y = 0 bends particularly strongly, it is rectangular
The beam deforms. This also eliminates mass separation
It is. But the beam is distorted. A current is also applied to the auxiliary coil, and the beam cross section is
Monitor the deformation of. Beam of light ions such as hydrogen
And an ion beam containing one boron and boron
The beam splits into three heavier ion beams. So
Each beam becomes a beam with the same cross section as the first beam
Adjust the currents of the auxiliary coil and the main coil so as to achieve. Sa
Only ions containing two borons can pass through hole 8
Thus, the position of the slit 7 is determined. After that, slit
7. Fix the coil current and move the wafer in the x direction.
While implanting ions containing two borons into the wafer surface
I do. The wafer focuses the beam over the entire surface with only translation in the x direction.
You can enter. Conventional large mouth that simultaneously performs high-speed rotation and translational movement
In the end station of the ion implanter for the diameter wafer
It is greatly simplified in comparison. [0037] [Example] B ions on a silicon wafer 30 cm in diameter
Will be described. The yoke opening is vertical
Direction length (distance between magnetic poles) is 40 cm,
The length is 30 cm. Thickness of the magnetic pole in the flow direction (z direction)
The size is 20 cm. The yoke has two main coils, 4
There are two auxiliary coils wound. Coil section is auxiliary carp
Is 5cm x 10cm and the main coil is 5cm x 20cm
It is. As shown in Fig. 2, the axial direction of the magnet
The axial direction of the source is shifted by 6.15 ° from the beginning. Magne
From the beginning, the axial direction of the cut and the axial direction of the wafer are 6.
15 ° off. Magnetic pole of yoke (near point U and point D)
The opposing surface is not flat so as to have a sector pole component
A radius of curvature of 67.47 cm is provided. by this
Assuming that By is 1, 0.000449 (xTwo / RTwo 2)
The following components can be realized. The thickness of the magnetic pole is 20 cm
The effective magnetic field spread in the direction is 61.6 cm. The case of doping with boron will be described. material
The gas is diborane BTwo H6 Gas. This is an ion source
Into the plasma, and by the action of the extraction electrode
Pull out as a beam. Acceleration energy is 20 keV
It is. Height 40 cm, width from vertical ion source 1
A 5 cm band ion beam is generated. Initially a magnetic field
The beam travels straight without hanging and two-dimensional position detection in front of the beam
Two-dimensional components of the ion beam in the x and y directions
Examine the cloth. One peak is present because mass spectrometry has not been performed.
It is. You can see the initial shape of the vertical beam profile. The two-dimensional signals of these beam intensities are parallelized.
Read serially or read
Performs appropriate mathematical processing on a personal computer to produce a two-dimensional beam distribution.
Can be displayed on the CRT. In this state, hydrogen ions and
Ron ions make overlapping peaks. Beam cross section
Is 40cm x 5c, similar to when exiting the ion source
m. Next, the main coils M1 and M2 are energized to
A vertical magnetic field By is generated from the magnetic field. The magnetic field distribution is as shown in Fig. 5.
become. The ion beam bends in the x direction and the peak is almost
Separate into three. Light ion beam 5 containing only hydrogen
(Fig. 2) is the most bent ion containing one boron
Beam 13 then bends well. Bee containing two boron
The arm 4 is hard to bend and is separated outward. In this state
In each case, the beams 5, 13, and 4 are distorted. Further, auxiliary coils A1, A2, B1, B2
To excite it. Current of main coil M1, M2
While increasing the auxiliary coil current.
The distribution of each ion beam 5, 13, 4 is the original rectangle
What is necessary is that it is in a shape (band) and can be completely separated. In that state
Main coil and auxiliary coil currents are fixed. Vertical magnetic flux at this time
The density was 567.46 gauss at y = 0, x = 0. For the magnet, the ion source is
The beam is also approximately 6.15 ° in the x direction, so the beam is roughly
It can pass through the center of the magnet. The beam is a wafer
At almost right angles. Beam cross section is long in the y direction
The substrate 6 is translated in the x direction and
Injection. The separation of ions containing only hydrogen is shown in FIG.
No problem occurs in the magnet path. Here's the question
Are two ions containing one boron (BHn) and two
Containing ions (BTwo Hn). Both are considered monovalent ions
I have decided. The + sign on the right shoulder is omitted for simplicity. (1) Ion containing one boron (monomer) B, B
H, BHTwo , BHThree (2) Ion containing two borons (dimer) BTwo ,
BTwo H, BTwo HTwo , BTwoHThree , BTwo HFour , BTwo HFive Since both groups contain boron,
It becomes a p-type impurity, but has the same energy but different mass
And the monomer penetrates deeper. Both are mixed
Large variations occur in the depth distribution. Still good
Of course, there are cases. However, there is also a demand for making a shallow junction.
You. In that case, inject only the dimer with large mass
There is a need. For this purpose, the monomer is blocked by slits.
Must be refused. BH with one boronThree But
Although heaviest, it has a mass number of 14. Two boron
Is BTwo Is the lightest and has a mass number of 22. Most heavy
Ino BTwo HFive And the mass number is 27. Of slit hole
Choose a suitable size and dimer with a mass number of 22-27
It is possible to let everything go through. And the monomer
It is also possible to drop them all. However, the web of ions in a certain mass number range
If the spread in the x direction at the key is Δm, the width of the slit hole
Does not mean that Δm should be Δm. From the ion source
When exiting, the beam has a finite width 2d, so a slit
Hole has a width of Δm + 2d, the entire mass number range
You can pass the ions of the part. But then,
Unnecessary ions with similar mass numbers such as nomers can pass through
Performance comes out. So the width of the slit hole is {ΔmTwo
+ 4dTwo }1/2 May be made smaller. This is
And all ions within the specified mass range cannot pass
But most can pass. Necessary in such a case
Next, the magnetic field and the range of the magnetic field are calculated. FIG. 4 shows a vertically long bead having a width of JHG (2d).
This indicates that the bend is bent by the Faraday force of the magnetic field. An effective
Let L be the width of the region where the magnetic field exists. Monomer (BH
n) is a small radius R about point C1 Draw an arc of.
Central angle1 And The monomer beam is
Because it has an expanse, it spreads to the SQP range even at the exit
You. Intersection of the line drawn in the z direction from the center point H and the line at the end of the area
Let F be the point. The dimer ion is large around point E
Threshold radius RTwo Draw an arc of. Central angleTwo And Die
The mer beam also has a JHG width at the entrance, so the exit is N
Has the spread of MK. The most x value in the exit distribution of the dimer beam is
What is larger is point N. The outlet distribution of the monomer beam
It is at the point P that x is also small. Thus XN <XP so
If there is, put the end of the slit hole between PN
You can drop all Nomers. Of course the beam angle
You can actually afford more because it is different. [0049] R1 = (M1 V)1/2 /0.69B (3) [0050] RTwo = (MTwo V)1/2 /0.69B (4) Here, the unit of the radius R is cm, and the unit of the magnetic flux density is
Tesla, M1 , MTwo Is the mass number (M1 Maximum value of
= 14, MTwo = 22). The unit of the acceleration voltage V is 1
0 keV. Central angle of beam bending in magnetic field region L
ΘTwo , Θ1 Is R1 sinΘ1 = L (5) RTwo sinΘTwo = L (6) Is determined by [0055] FN = RTwo -RTwo cosΘTwo + D (7) [0056] FP = R1 -R1 cosΘ1 −d (8) Is as follows. Separation condition is FP> FN
From [0058]         R1 -R1 cosΘ1 -D> RTwo -RTwo cosΘTwo + D (9) It is sufficient if it is. Specifically, the width L of the magnetic field region
50 cm, beam half width d 2.5 cm, beam energy
And the ions to be separated are BHThree
(14) Ion and BTwo (22) If it is an ion, it is necessary
The magnetic flux density is about 500 gauss. A frame-shaped yoke
The range of magnetism that can be generated by the electromagnet used
The bundle density. Here, the vertical magnetic flux density Br is 567.4.
6 gauss. Separates dimer and monomer
Enough magnetic flux density. In this example, the dimer
The radius of curvature of the beam by the magnet was 168 cm. [0060] According to the present invention, a band-like ion beam is
The ions are mass-analyzed by being bent by a magnet in the direction. material
When gas is ionized, unnecessary light ions and necessary heavy ions
If they contain ON, separate them and remove unnecessary light ions.
Excluding Compared to non-mass spectrometer type ion implanter
As a result, heat generation is small, and adverse effects due to impurity implantation are small. When implanting boron, one boron
On and separate the two ions of boron, only the latter
Can be injected. When forming shallow junctions, the depth distribution varies.
Sticking is a problem. The present invention selects only dimers,
(BHn) can be dropped, so shallow junction
Ideal for forming. Multiple types of heavy ions required (BTwo ~
BTwo HFive ) In some cases, can all of them be ion implanted?
Raw materials can be used effectively and the injection processing capacity is large.
The object (wafer) only needs to be reciprocated in one direction.
Therefore, the structure of the end station is simplified. Since the beam slit is provided,
Particles from ON source reach wafer
Can be prevented. Particle-based wafer
Pollution can be avoided. Conversely, caused by injection
Resist scattered matter that flows back to the beam line
Can be prevented. Small bending angle and short beam line
No. In this example, the beam line must be 100 cm or less.
Can be. Therefore, beam divergence due to the space charge effect is suppressed.
And beam loss is small. Since the vertically elongated ion beam is bent sideways, the beam
Outside (x> 0) and inside the central orbit (x = 0 plane)
(X <0), the traveling distances of the beams are equal. This is a beam
Is narrow (2d). Are the flight distances equal?
When the beam flies, it collides with gas molecules to convert charges
The probability of becoming more neutral is almost the same everywhere in the cross section
You. This can cause poor injection uniformity on the wafer.
It can be removed.

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明のイオン注入装置の概略縦断面図。 【図2】図1にしめす本発明のイオン注入装置の横断平
面図。 【図3】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4】マグネットによって縦長ビームを横方向に曲げ
ることによって、ボロンひとつを含むイオン(BHn:
モノマー)と、ボロンふたつ(B2 Hn:ダイマー)を
含むイオンとを質量分析できることを示す説明図。 【図5】主コイルだけに20000AT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6】主コイルに10000AT、補助コイルに50
00AT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の近傍で磁
束密度が弱く、y=±15cmの付近で磁束密度が大き
くなっている。 【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(縦長)イオンビーム 4 最も重いイオンを含むビーム 5 最も軽いイオンを含むビーム 6 ウェファ 7 スリット 8 スリットの穴 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 ビーム質量分析領域 13 中間の質量をもつイオンを含むビーム
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of an ion implantation apparatus of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional plan view of the ion implantation apparatus of the present invention shown in FIG. FIG. 3 is a front view showing a relationship between a yoke and a coil of a longitudinal beam mass analysis magnet used in the present invention. FIG. 4 is a diagram showing an example in which a vertically elongated beam is bent in a horizontal direction by a magnet, so that ions containing one boron (BHn:
FIG. 4 is an explanatory diagram showing that mass spectrometry can be performed on a monomer) and an ion containing two boron atoms (B 2 Hn: dimer). FIG. 5 is a graph showing a y-direction distribution of a magnetic flux density By in a yoke opening when a current of 20000AT is applied only to a main coil. At y = 0, the magnetic flux density becomes excessive, and as the distance increases, the magnetic flux density becomes too small. FIG. 6: 10,000AT for main coil and 50 for auxiliary coil
9 is a graph showing a y-direction distribution of a magnetic flux density By in a yoke opening when a current of 00AT flows. The magnetic flux density is weak near y = 0, and large near y = ± 15 cm. [Description of Signs] 1 Vertical ion source 2 Ion extraction port 3 Strip (vertical) ion beam 4 Beam containing the heaviest ions 5 Beam containing the lightest ions 6 Wafer 7 Slit 8 Slit hole 9 End station 10 Mass analysis magnet Yoke 11 Position detector 12 Beam mass analysis area 13 Beam containing ions with intermediate mass

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−302707(JP,A) 特開 平9−251848(JP,A) 特開 昭60−100351(JP,A) 特開 平11−288682(JP,A) 特開 平5−67448(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) 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 37/04 H01J 37/05 H01L 21/265 603 Continuation of the front page (56) References JP-A-10-302707 (JP, A) JP-A-9-251848 (JP, A) JP-A-60-100351 (JP, A) JP-A-11-288682 (JP) JP-A-5-67448 (JP, A) JP-A-63-48738 (JP, A) JP-A-8-7822 (JP, A) JP-A-6-342639 (JP, A) 5-34653 (JP, U) Table 11-500573 (JP, A) Table 2000-505234 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01J 37/317 C23C 14/48 H01J 37/04 H01J 37/05 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帯状イオンビームを生
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M
1、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、B
2とよりなる縦長の質量分析磁石と、イオンビームの分
布を調べるための位置検出器と、質量分析磁石によって
分離されたイオン種のうち所望の範囲の質量数をもつイ
オン種だけを通過させそれ以外の質量数のイオン種を遮
断するスリットと、スリットを通過したイオンビームが
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
なる事を特徴とするイオン注入装置。
(57) [Claims 1] A width smaller than a diameter of a target sample,
An ion source for generating a vertically elongated band-shaped ion beam having a vertical width larger than the diameter, a vertically elongated yoke having a passage for the vertically elongated ion beam, and a main coil M wound around the center of the yoke
1, M2, first auxiliary coils A1, A2 wound on one end of the yoke side by side with the main coil, and second auxiliary coils B1, wound on the other end of the yoke side by side with the main coil, B
2, a position detector for examining the distribution of the ion beam, and only the ion species having a mass in a desired range among the ion species separated by the mass analysis magnet. And a sample holding mechanism that holds the sample so that the ion beam passing through the slit is injected and moves the sample in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the ion beam. An ion implantation apparatus characterized by the above-mentioned.
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