JP3376857B2 - Ion implanter - Google Patents
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Description
【0001】[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。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a semiconductor wafer,
The present invention relates to an ion implantation apparatus for realizing large-current ion implantation into a large processed product such as a glass substrate. In the case of a Si wafer, ion implantation is often performed to dope p-type and n-type impurities such as boron, phosphorus and arsenic. In order to increase the throughput, a device for uniform doping distribution and high-speed doping is desired.
【0002】[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。2. Description of the Related Art Conventional high current ion implanters are roughly classified into two types. One is to perform mass analysis of a thin (zero-dimensional spread) high-density ion beam with a fan-shaped magnet and irradiate only a desired ion species onto a processed product (wafer) placed on a rotating target that rotates and translates. Is. Since the ion beam is thin, it is easy to perform mass separation with a fan magnet. However, since the beam itself has no divergence, it is necessary to translate and rotate the wafer in order to irradiate the entire surface of the wafer. It is necessary to move the wafer two-dimensionally on the side of the end station supporting the wafer.
【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。The other is to extract a large-diameter ion beam from a large-diameter ion source and irradiate the wafer without mass analysis. The diameter of the wafer is W, and the diameter of the ion beam extracted from the ion source is D. D> W
Since a large-diameter ion beam is generated, it is not necessary to scan the wafer.
【0004】[0004]
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。1. In the method using the rotating target, the beam optical system is simple because a thin 0-dimensional beam is generated. However, the structure of the end station, which has to perform rotational translation, is complicated. The disk on which the wafer is placed must be rotated at high speed and controlled in translational speed in proportion to the ion beam current and inversely proportional to the beam position. When the beam current density at the wafer becomes high, the charge-up phenomenon of the wafer becomes remarkable. Charge-up is a phenomenon in which charges do not escape when a positive or negative ion beam is injected and the charges accumulate on the surface of a wafer or the like. This may destroy devices on the surface of the wafer, which is undesirable. Currently, the rotary target method is practically used as a method for implanting ions into a large-diameter wafer, but there are such drawbacks.
【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。2. In the large-aperture ion source non-mass separation method, the beam optical system is only an ion extraction system, and therefore the apparatus configuration is simpler. The structure of the end station is also simple. However, since a large-diameter ion beam cannot be subjected to mass analysis, ion species other than desired ions are not distinguished and are injected into the wafer. The desired characteristics may not be obtained due to the implantation of the impurity ions. Further, the implantation depth distribution changes depending on the plasma state because the implantation is performed in the form of molecules instead of ions. Another difficulty is that the device characteristics are difficult to maintain because the implantation depth is difficult to maintain.
【0006】前者に関しては、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。Regarding the former, for example, when boron is injected, diborane (B 2 H 6 ) is used as a source gas. At this time, hydrogen ions are also injected into the wafer together with boron. Since the injected hydrogen has a high speed, it may penetrate through the gate oxide film and be injected into the channel layer. This can cause lattice defects in the channel below the gate electrode. All the ion energy is converted into heat, but if ions other than the desired ion species (for example, hydrogen ions) are injected, the sample will be overheated. The device on the sample may be destroyed due to the temperature rise.
【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。3. That is not the only drawback of the large-diameter ion source system. When an ion is to be implanted into a large-area substrate such as an 8-inch wafer or a 12-inch wafer, the uniformity of implantation within several percent is required everywhere on the wafer surface. It is a very difficult technique to realize an ion source having such a large area and uniform beam density. Large diameter ion sources can currently only be used for small area wafers with less demanding implant uniformity.
【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.B12
(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。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。4. Further, as an ion implantation method without mass spectrometry, the PIII method (Plasma ImmersionIon Implantation)
) Has been proposed. Shu Qin and Chung C
han, "Plasma immersion ion implantaion doping exper
iments for microelectronics ", J.Vac.Sci.Technol.B12
(2), (1994) p962. This is a method in which a Si wafer is exposed to plasma and a negative voltage is applied to the wafer to accelerate ions in the sheath region and inject them into the wafer. No extraction electrode is required because a sheath voltage is used to extract the ion beam. Often the impurities are sputtered electrodes. In this method, there is no possibility that impurities generated from the electrodes will be mixed. Therefore, it is not necessary to do mass spectrometry. However, it is not possible to remove unnecessary ions from the elements contained in the source gas.
【0009】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。In the case of boron doping, diborane is used as a source gas, but hydrogen ions are injected into the wafer. Both hydrogen ions and boron ions have the same acceleration energy. The wafer is overheated by hydrogen ion implantation. When the injection time is shortened to increase the throughput, the temperature rise due to hydrogen injection becomes remarkable. Therefore, the injection time cannot be shortened too much. It has been reported that a single wafer was ion-implanted at a density of 1.9 × 10 15 cm -2 in 10 minutes. This is too low a throughput. 1
I want to implant ions within 1 minute. In fact, this method does not seem to be in practical use.
【0010】5.USP5,350,926号"Compact
High Current Broad Beam Ion Implanter"及び特開平
6ー342639号「小型の高電流幅広ビームのイオン
注入装置」は横長のイオン源から水平方向に広がってい
るイオンビームを約90度偏向させる第1の質量分析マ
グネットに通し一点に収束させ、スリットの小さい穴を
通し、不要イオンを排除し、発散ビームを約90度偏向
させる第2の質量分析マグネットに通して幅をもつ平行
偏平なビームとし、ウェファに注入する方法を提案して
いる。ウェファはビームの長手方向と直交する方向に走
査するようになっている。つまりこれは一元広がり(幅
をもつ)を持つビームを質量分析して、一次元走査され
るウェファに注入する方法である。これは一次元ビーム
(帯状)を質量分析するので不純物が混入する惧れがな
い。帯状のビームを作るのでウェファ側では二次元走査
する必要がなく一次元走査で済む。そのような利点があ
る。5. USP 5,350,926 "Compact
"High Current Broad Beam Ion Implanter" and Japanese Patent Laid-Open No. 6-342639 "Compact High Current Wide Beam Ion Implanter" are the first masses for deflecting an ion beam expanding horizontally from a horizontally long ion source by about 90 degrees. Pass it through the analysis magnet to a single point, pass through a hole with a small slit, eliminate unnecessary ions, and pass a second mass analysis magnet that deflects the divergent beam by about 90 degrees to form a parallel flat beam with a width, Suggests a way to inject. The wafer is adapted to scan in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the beam. In other words, this is a method of mass-analyzing a beam having a unitary spread (having a width) and injecting it into a wafer which is one-dimensionally scanned. Since this is a mass spectrometric analysis of a one-dimensional beam (belt), there is no risk of impurities being mixed in. Since a band-shaped beam is formed, it is not necessary to perform two-dimensional scanning on the wafer side, and one-dimensional scanning is sufficient. There are such advantages.
【0011】しかしこれもウェファを一次元走査するた
めに複雑な機構を必要とする。さらにこの方法はビーム
を収束させて収束点で小さい穴のスリットを通すように
しているから、ひとつの質量数、ひとつの電荷量のイオ
ンしか選択されない。多くの場合質量数が異なってもイ
オン注入された方が良いようなイオン種も混在してい
る。そのようなイオン種も落としてしまう事になる。つ
まり質量分析が厳格すぎる。さらにこの機構は柔軟性に
乏しい。イオン種を変えると磁石の定数を変更すべきで
あるがこれが容易でない。However, this also requires a complicated mechanism to scan the wafer in one dimension. Further, in this method, the beam is converged and passed through the slit of a small hole at the converging point, so that only ions having one mass number and one charge amount are selected. In many cases, ion species that are better to be ion-implanted are mixed even if the mass numbers are different. Such ionic species will also be dropped. So mass spectrometry is too strict. Moreover, this mechanism is poorly flexible. If the ion species is changed, the constant of the magnet should be changed, but this is not easy.
【0012】より緩やかな柔軟性ある質量分析が望まれ
る。なんといっても上記帯状ビーム法の難点は、イオン
源からでた幅広のビームを一点に収束させることにあ
る。イオン源の一点から出たビームを一点に絞るのと異
なり幅広ビームをマグネトロンによって曲げるので、同
じエネルギーのイオンであっても一点に収束しない。つ
まり所望のイオン種の全てをスリットの穴に導くことが
できない。これはビーム光学上の原理的な難点である。
このような訳でスリットによって大部分のイオンが排除
されてしまう。質量数の近似した有用なイオンも除かれ
る。それどころか所望イオン種も除去されることがあ
る。More gradual and flexible mass spectrometry is desired. After all, the difficulty of the band-shaped beam method is that the wide beam emitted from the ion source is converged to one point. Unlike narrowing the beam emitted from one point of the ion source to a single point, a wide beam is bent by a magnetron, so even ions of the same energy do not converge to one point. That is, it is not possible to introduce all of the desired ion species into the slit holes. This is a fundamental difficulty in beam optics.
For this reason, most of the ions are excluded by the slit. Useful ions with similar mass numbers are also excluded. On the contrary, the desired ionic species may also be removed.
【0013】6.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、1次元ビーム
(断面が線分)のビームをふたつに磁石で質量分析する
方法とを説明した。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。6. So far, the method of mass-analyzing a 0-dimensional beam (point of cross-section) and injecting the beam into a wafer that is two-dimensionally scanned, and mass-analysis of a large-diameter two-dimensional beam (circular with wide cross-section) The method of implanting into a stationary wafer, the PIII method of implanting ions into a wafer in a plasma without using an ion source, and the method of mass-analyzing two one-dimensional beams (cross sections are line segments) with a magnet. did. The problem should be solved if mass spectrometry can be performed in the second large-diameter ion beam method. However, attempts to mass-analyze large-diameter beams have yet to be realized.
【0014】もしも大口径イオンビームを扇形磁石によ
って質量分析しようとすると、磁石のギャップが著しく
広くなる。磁石が大きくなるし必要な電流の大きくな
る。それだけでない。ギャップが広いのでギャップ間の
どこでも磁場が一様というわけには行かず不均一にな
る。ためにビームが発散してビーム損失が起こる。さら
に磁極や壁面がビームによってスパッタリングされてコ
ンタミネーションの原因になる。そのようなことが初め
から懸念されるので大口径ビームを質量分析するという
ような方法は現在のところまだ実行されていない。If a large-diameter ion beam is mass-analyzed by a fan-shaped magnet, the gap between the magnets becomes extremely wide. The magnet becomes larger and the required current becomes larger. Not only that. Since the gap is wide, it cannot be said that the magnetic field is uniform anywhere in the gap, resulting in non-uniformity. As a result, the beam diverges and beam loss occurs. Further, the magnetic poles and walls are sputtered by the beam, which causes contamination. Since such concerns are a concern from the beginning, methods such as mass spectrometric analysis of large-diameter beams have not yet been implemented.
【0015】質量分離をして不純物の混入する惧れがな
い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。ウェファの全体にイオンビームを高い均一性を
持って注入できるようにしたイオン注入装置を提供する
事が本発明の第2の目的である。エンドステーションの
構造を単純化し装置コストを低減できるイオン注入装置
を提供することが本発明の第3の目的である。様々のイ
オン種エネルギーにも対応できるイオン注入装置を提供
することが本発明の第4の目的である。チャージアップ
の可能性のないイオン注入装置を提供するのが本発明の
第5の目的である。It is a first object of the present invention to provide an ion implantation apparatus which is free from the risk of impurities being mixed by mass separation. It is a second object of the present invention to provide an ion implantation apparatus capable of implanting an ion beam with high uniformity over the entire wafer. It is the third object of the present invention to provide an ion implantation apparatus which can simplify the structure of the end station and reduce the apparatus cost. It is a fourth object of the present invention to provide an ion implanter capable of coping with various ion species energies. It is a fifth object of the present invention to provide an ion implanter without the possibility of charge-up.
【0016】[0016]
【課題を解決するための手段】本発明のイオン注入装置
は、水平方向の幅が対象物の横幅よりも大きい横長のイ
オンビームを引き出すイオン源と、扇形の中心角θj、
磁場のビームと直角方向の傾きを与えるn値、同じ方向
の磁場の曲率を与えるεをパラメータとし、横長ビーム
を水平方向に曲げ、質量分析するため連続して設けられ
る複数の扇形磁石と、扇形磁石のほぼ中央部に設けられ
必要なイオンビームだけを通すスリットと、ビームに対
して対象物を保持しビームの幅方向と直交する方向に移
動させる試料支持機構とからなる。The ion implantation apparatus of the present invention comprises an ion source for extracting a laterally long ion beam whose horizontal width is larger than the lateral width of an object, and a fan-shaped central angle θj.
A plurality of fan-shaped magnets that are continuously provided for mass analysis by bending an oblong beam in the horizontal direction with n values that give the inclination of the magnetic field in the direction perpendicular to the beam and ε that gives the curvature of the magnetic field in the same direction as parameters The magnet is composed of a slit which is provided in the substantially central portion of the magnet and through which only a necessary ion beam passes, and a sample support mechanism which holds an object with respect to the beam and moves the object in a direction orthogonal to the width direction of the beam.
【0017】横長のビームを発生させると、横方向には
ビームを走査する必要がなく、縦だけ試料を相対移動
(縦走査)すれば良い事になる。つまりイオン注入の時
間が短縮されるのでスループットが向上する。横長ビー
ムを質量分析するために、水平方向に磁石によって曲げ
る。横幅があるビームを横に曲げるので磁極間隔は狭く
ても良い。この点は好都合である。しかし横方向に幅が
あるビームを横方向にまげて質量の違いによって分離し
ようとするから、どうしても曲率半径が大きくなる。そ
れだけでなくて曲げ中心角が大きくなくてはならない。
横幅あるビームを一様に水平に大きく曲げることは難し
い。広い空間に広がった磁場を得るために大型の磁石を
使う必要がある。しかしたとえ大型磁石を使っても磁場
が不均一になりがちである。When a horizontally long beam is generated, it is not necessary to scan the beam in the horizontal direction, and it suffices to relatively move the sample vertically (vertical scanning). That is, since the time of ion implantation is shortened, the throughput is improved. The mass of the transverse beam is bent by a magnet in the horizontal direction. Since a beam having a lateral width is bent laterally, the magnetic pole spacing may be narrow. This point is convenient. However, since the beam having a width in the lateral direction is bent in the lateral direction to separate the beams due to the difference in mass, the radius of curvature is inevitably large. Not only that, the bending center angle must be large.
It is difficult to bend a wide beam uniformly horizontally. It is necessary to use a large magnet to obtain a magnetic field spread over a wide space. However, even if a large magnet is used, the magnetic field tends to be non-uniform.
【0018】そこで本発明はひとつの磁石でなく、質量
分離マグネットを複数の磁石に分割し、複数扇形磁石を
連続的にならべて横幅あるビームを一様に水平方向に曲
げる。ビーム経路のほぼ中間点に小さい穴を持つスリッ
トを設けて不要イオンを排除するようにする。このよう
な選別を可能にするために、所望のイオンだけをスリッ
ト直前において集束するようにしなければならない。こ
れが質量分離のための条件である。それだけではない。
ウェファに垂直入射させるために、出口でイオンビーム
は拡散せずほぼ平行性を保持している事が望まれる。Therefore, in the present invention, the mass separating magnet is divided into a plurality of magnets instead of a single magnet, and a plurality of fan-shaped magnets are continuously arranged to bend a lateral beam uniformly in the horizontal direction. A slit with a small hole is provided at approximately the midpoint of the beam path to eliminate unnecessary ions. To enable such sorting, only the desired ions should be focused just before the slit. This is the condition for mass separation. That is not all.
It is desirable that the ion beam is not diffused at the exit and is kept substantially parallel so that it is vertically incident on the wafer.
【0019】そのような要求を満足するためには、単純
な磁石では間に合わない。これにはふたつの意味があ
る。まず初めに、一様磁場を与えて均一の曲率半径を与
えるというだけでも、ビームが大面積の場合は簡単でな
い。マグネットの端では磁力線が外部に向かって曲がる
ので磁場が弱くなる。ために大磁石を使っても一様磁場
を形成する事はできない。これがひとつである一様磁場
を作る事は簡単でなく収差があるので、一様磁場にする
ためにも磁場補正をする必要がある。しかしそれだけで
ない。本発明は一様磁場をもって事足れりとしない。横
方向に広がったビームをスリットによって質量分離する
ので、入口における場所の違いによってスリットにおけ
るビーム位置が変わってくる。であるから、初めに広が
ったビームを一点に集束させる必要があるので一様磁場
では足らないのである。イオンビームを場所によって異
なる履歴で曲げる必要があるので一様磁場では足らな
い。In order to satisfy such requirements, a simple magnet is not enough. This has two meanings. First, even if a uniform magnetic field is applied to give a uniform radius of curvature, it is not easy when the beam has a large area. At the end of the magnet, the magnetic field lines bend toward the outside, weakening the magnetic field. Therefore, even if a large magnet is used, a uniform magnetic field cannot be formed. It is not easy to create a uniform magnetic field, which is one, and there are aberrations, so it is necessary to correct the magnetic field in order to create a uniform magnetic field. But not only that. The present invention does not suffice with a uniform magnetic field. Since the beam spreading in the lateral direction is mass-separated by the slit, the beam position at the slit changes depending on the location at the entrance. Therefore, a uniform magnetic field is not enough because it is necessary to focus the divergent beam at the beginning. Since it is necessary to bend the ion beam with different history depending on the place, a uniform magnetic field is not enough.
【0020】そのように複雑な制御を目標にしているの
で、個々の扇形磁石はダイポール(二重極)成分だけで
なく、クァドラポ−ル(四重極)成分、セクタポール
(六重極)をもパラメータとしてあたえなければならな
い。つまり、本発明は、横長ビームを曲げて質量分析
し、不要イオンを除いて、試料に横長ビームを照射する
ようになっているが、磁石の選択配置が最も需要であ
る。扇形磁石は、中心角θj、磁場勾配を与えるn値n
j、磁場曲がりを与えるβj(又はεj)等がパラメー
タとなる。つまり一連の磁石は、0次近似(非摂動)で
は磁場は同じ値をとるが、1次、2次の係数が異なる。
これを磁石毎に最適値に決定する必要がある。ここでは
4個の磁石によって横方向ビームを曲げるので、4個の
磁石のパラメータを決める必要がある。Since such a complicated control is aimed at, each fan-shaped magnet has not only a dipole (double pole) component but also a quadrapole (quadrupole) component and a sector pole (hexapole). Must also be given as a parameter. That is, according to the present invention, the laterally long beam is bent, mass analysis is performed, unnecessary ions are removed, and the horizontally long beam is irradiated to the sample. However, selective placement of magnets is the most demanded. The sector magnet has a central angle θj and an n value n that gives a magnetic field gradient.
j, βj (or εj) that gives the bending of the magnetic field, etc. are parameters. That is, a series of magnets have the same magnetic field in the 0th-order approximation (non-perturbation), but have different primary and secondary coefficients.
It is necessary to determine this to the optimum value for each magnet. Since the transverse beam is bent by four magnets here, it is necessary to determine the parameters of the four magnets.
【0021】[0021]
【発明の実施の形態】[発明の背景] 本発明は複数の
磁石を組み合わせて、偏平なイオンビームを偏平な方向
に曲げてスリットを通して質量分析しようとするから、
磁石のパラメータはもはや単純でないしその作用も簡明
でない。作用を理解するのも難しい。そこで本発明を実
施例するために磁石について必要な事項を初めに明らか
にする。まず座標系を定義する。イオンビームの進行方
向をz軸とする。イオンビームが曲がる方向をx軸方向
とする。イオンは磁場のファラデイ力q(v×B)によ
って曲がるのであるからBはy成分を持つ。Byが主成
分である。一様磁場であればこれが定数となる。しかし
一様磁場では不十分である。だからビームと直交する方
向(x方向)に一次、二次の係数をもたせる。磁束密度
Bはx成分をもたないという近似で出発するからy方向
のビームの大きさは進行方向にほぼ不変である。そこで
x方向のビームの広がりが主な関心事となる。BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention combines a plurality of magnets and bends a flat ion beam in a flat direction to perform mass analysis through a slit.
The parameters of the magnet are no longer simple and their action is not straightforward. It is difficult to understand the effect. Therefore, the matters necessary for the magnet in order to carry out the present invention will be clarified first. First, the coordinate system is defined. The traveling direction of the ion beam is the z axis. The direction in which the ion beam bends is the x-axis direction. Since the ions bend due to the Faraday force q (v × B) of the magnetic field, B has a y component. By is the main component. This is a constant if the magnetic field is uniform. But a uniform magnetic field is not enough. Therefore, primary and secondary coefficients are provided in the direction (x direction) orthogonal to the beam. Since the magnetic flux density B starts with an approximation that it has no x component, the beam size in the y direction is almost unchanged in the traveling direction. Therefore, the spread of the beam in the x direction becomes the main concern.
【0022】ビームは円弧を描いて曲がるから、軌道は
xz平面にひろがり、ビーム方向と直角なz成分を持つ
ようになる。するとこれをx方向の広がりと表現するの
は不適切になる。そこでさらに一工夫し、磁石中心軸に
そってz座標を定義するものとする。磁石中心軸をz軸
そのものとする。zは基準半径Rに沿う円弧座標であ
る。ビームに直交する方向はつねにx,y方向である
が、曲がりの方向がx、曲がらない方向がyであるとす
る。磁石中心軸はx=0,y=0である。通常の3次元
直交座標のx成分と、z成分が混ざった座標になる。y
方向は混合しないので直交座標系でも円弧座標系でも同
じである。この円弧座標系での(x,y,z)は直交座
標系(X,Y,Z)では、Since the beam bends in an arc, the orbit spreads in the xz plane and has a z component perpendicular to the beam direction. Then, it is inappropriate to express this as the spread in the x direction. Therefore, a further improvement is made to define the z coordinate along the central axis of the magnet. The central axis of the magnet is the z axis itself. z is an arc coordinate along the reference radius R. The direction orthogonal to the beam is always the x and y directions, but the bending direction is x and the non-bending direction is y. The central axis of the magnet is x = 0 and y = 0. It is a coordinate in which the x component and the z component of normal three-dimensional Cartesian coordinates are mixed. y
Since the directions are not mixed, it is the same in the rectangular coordinate system and the circular coordinate system. (X, y, z) in this arc coordinate system, in the Cartesian coordinate system (X, Y, Z),
【0023】 X=xcos(z/R)−R+Rcos(z/R) (1) Y=y (2) Z=xsin(z/R)+Rsin(z/R) (3)[0023] X = xcos (z / R) -R + Rcos (z / R) (1) Y = y (2) Z = xsin (z / R) + Rsin (z / R) (3)
【0024】特別な座標であるがその方が直観的に分か
りやすいという事がやがて理解されよう。さらに0次近
似では各磁石は同一の縦磁場By(定数)を与えるとす
るので、これによって所望イオンが半径Rの円を書くと
する。これが基準円である。基準半径Rは、RBy=
(2MV/q)1/2 によって与えられる。Mは所望イオ
ン質量、Vは加速電圧、qはそのイオンの電荷である。
つまりRは一様縦磁場において所望イオンが描く円弧の
曲率半径である。It will be understood that, although it is a special coordinate, it is intuitively easy to understand. Further, in the 0th-order approximation, each magnet gives the same longitudinal magnetic field By (constant), so that a desired ion writes a circle having a radius R. This is the reference circle. The reference radius R is RBy =
Given by (2MV / q) 1/2 . M is the desired ion mass, V is the acceleration voltage, and q is the charge of the ion.
That is, R is the radius of curvature of the arc drawn by the desired ion in the uniform longitudinal magnetic field.
【0025】磁場の展開はx/Rの係数として与える事
ができる。本発明で必要とする磁石が形成する磁場By
は次のように書ける。The expansion of the magnetic field can be given as a coefficient of x / R. Magnetic field By formed by the magnet required in the present invention
Can be written as
【0026】 By(x)=B0 {1−(Nx/R)+(βx2 /R2 )+…} (4)By (x) = B 0 {1- (Nx / R) + (βx 2 / R 2 ) + ...} (4)
【0027】B0 が一様なダイポール成分である。これ
は複数の扇形磁石M1〜Mmについて共通である。無摂
動系というのは、この項だけの磁場を指すものとする。
このような異方性ある磁場を生成するには二つの方法が
ある。ひとつはヨークの磁極形状を工夫することであ
る。もう一つは複雑にコイルを組み合わせることであ
る。図1は二次までの磁場変化を含み得るヨークの磁極
の形状を示す。磁極の形状を変形させてxの1次変化、
2次変化を与えることができる。しかしヨークの磁極の
変形加工は難しいし柔軟性に欠ける。平坦な磁極を利用
しつつ複数のコイルを組み合わせても同様のx依存性を
与えることができる。B 0 is a uniform dipole component. This is common to the plurality of sector magnets M1 to Mm. The non-perturbative system means the magnetic field of this term only.
There are two methods to generate such an anisotropic magnetic field. One is to devise the magnetic pole shape of the yoke. The other is to combine coils in a complicated way. FIG. 1 shows the shape of the magnetic poles of the yoke, which can include magnetic field changes up to the second order. First-order change of x by deforming the shape of the magnetic pole,
A quadratic change can be given. However, it is difficult to deform the magnetic pole of the yoke and it lacks flexibility. Even if a plurality of coils are combined while utilizing a flat magnetic pole, similar x dependence can be given.
【0028】図2はコイル断面と磁場形成の関係を示す
図である。空心コイルの断面であり符号のプラスは電流
が紙面から沸き上がる方向、マイナスは紙面下へ流れる
方向を示す。コイル電流の流れに対し右螺の進行する方
向に磁場が生ずる。FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the coil cross section and the magnetic field formation. In the cross section of the air-core coil, the plus sign indicates the direction in which the current is boiled up from the paper surface, and the minus sign indicates the direction in which the current flows downward. A magnetic field is generated in the direction in which the right-hand screw travels with respect to the flow of the coil current.
【0029】図2(a)は単純な円筒コイルに電流を流
すもので、コイル内にほぼ一様な上向きの磁場が生ず
る。これはコイルと直角に平坦な磁極を対向させて形成
できる磁場と同じである。コイル内で方向強さともに一
様な磁場であり、二重極(ダイポール)によって作られ
るのでダイポール磁場と呼ぶ。これが作る磁束密度は一
様であるからB0 というように書ける。FIG. 2A shows a simple cylindrical coil in which an electric current is passed, and a substantially uniform upward magnetic field is generated in the coil. This is the same as a magnetic field that can be formed by facing flat magnetic poles at right angles to the coil. It is a magnetic field with uniform direction strength in the coil, and is called a dipole magnetic field because it is created by a dipole. Since the magnetic flux density created by this is uniform, it can be written as B 0 .
【0030】図2(b)は二つの円錐空心コイルを底部
が対向するよう組み合わせたものである。左上のコイル
はコイル内部に斜め右下向きの円錐状の磁束密度を生ず
る。右下の円錐コイルは左上向き磁束密度を生ずる。x
軸での磁束密度の変化はx>0で正、x<0で負であ
る。これが作る磁束密度はNx/Rと言うふうに書け
る。Nが勾配を示す係数である。コイル二つを組み合わ
せるから、四重極(クァドラポ−ル)磁場と呼ぶ。FIG. 2B shows a combination of two conical air-core coils with their bottoms facing each other. The coil on the upper left produces a conical magnetic flux density in the coil that is directed obliquely downward to the right. The lower right conical coil produces an upper left magnetic flux density. x
The change in magnetic flux density on the axis is positive for x> 0 and negative for x <0. The magnetic flux density created by this can be written as Nx / R. N is a coefficient indicating the slope. Since two coils are combined, it is called a quadrupole magnetic field.
【0031】図2(c)は3つのコイルを縦方向に組み
合わせている。中間の円筒コイルは上向き一様の磁場を
発生する。上下の円錐コイルは下向きの不均一磁場を生
ずる。これらが打ち消しあうので、コイル中央では小さ
く端では大きい磁場を生ずる。これはβx2 /R2 とい
う二次関数によって与えられる。コイル三つを組み合わ
せるので六重極(セクタポール)磁場と呼ぶ。β/R2
をεで表現することもある。In FIG. 2 (c), three coils are vertically combined. The middle cylindrical coil produces a uniform upward magnetic field. The upper and lower cone coils produce a downward inhomogeneous magnetic field. Since these cancel each other out, a large magnetic field is generated at the center of the coil and at the end of the coil. This is given by a quadratic function of βx 2 / R 2 . It is called a hexapole (sector pole) magnetic field because it combines three coils. β / R 2
May be expressed by ε.
【0032】x方向の変動に関して、0次の磁場はダイ
ポール、1次の磁場はクァドラポ−ル、2次の磁場はセ
クタポールによって与えることができるということを説
明した。これらは空心コイルを使っており、ヨークは存
在しない場合を述べている。ヨークがあるとヨーク自体
の形状の制限がある。ヨークに対するコイルの巻方にも
限定を受ける。Regarding the variation in the x direction, it has been explained that the 0th-order magnetic field can be provided by the dipole, the 1st-order magnetic field by the quadrupole, and the 2nd-order magnetic field by the sector pole. These use an air-core coil and describe the case where there is no yoke. The presence of the yoke limits the shape of the yoke itself. There are also restrictions on how to wind the coil around the yoke.
【0033】図1はヨークの磁極形状によって同じよう
な異方性磁場を生成するものである。上にN極が、下に
S極があるので上から下向きに0次の磁場Bができる。
これはダイポールによるものである。これは平坦な磁極
においても発生するものである。それだけではない。図
1の磁極において右側(x>0)は磁極間が広くなり、
左側(x<0)で間隔が狭くなっている。x(右側とす
る)方向へゆくにしたがって磁場が減少する。これはN
が正であるときの四重極作用(Nx/R)と等価であ
る。つまり図1の磁極の勾配は、クァドラポ−ルと等し
い。FIG. 1 shows that a similar anisotropic magnetic field is generated depending on the shape of the magnetic pole of the yoke. Since the N pole is on the upper side and the S pole is on the lower side, a 0th-order magnetic field B is generated from the upper side to the lower side.
This is due to the dipole. This also occurs in a flat magnetic pole. That is not all. On the right side (x> 0) of the magnetic poles in FIG. 1, the distance between the magnetic poles becomes wide,
The spacing is narrower on the left side (x <0). The magnetic field decreases as it goes in the x (right side) direction. This is N
Is equivalent to the quadrupole effect (Nx / R) when is positive. That is, the gradient of the magnetic pole in FIG. 1 is equal to that of the quadrupole.
【0034】さらに図1の磁極は平面でなくて中央部で
張り出すような凸曲面になっている。この湾曲はx=0
の近傍で磁場が強くこれを離れると弱くなるということ
を意味するので、βを負として、(βx2 /R2 )の項
を与える。つまり磁極の湾曲面によって図2(c)の3
つのコイルと同等の作用を及ぼすことができる。Further, the magnetic pole of FIG. 1 is not a flat surface, but a convex curved surface protruding at the central portion. This curve is x = 0
It means that the magnetic field is strong in the vicinity of and becomes weaker when it leaves, so β is made negative and the term of (βx 2 / R 2 ) is given. In other words, the curved surface of the magnetic pole causes 3 in FIG.
It can have the same effect as two coils.
【0035】図1のように磁極を幾何学的に変形させる
と単純なコイルによっても四重極(Nx/R)作用、六
重極作用(βx2 /R2 )をもたせることができる。し
かしこれはヨークのポール(磁極)形状が固定されるの
で、ビームの種類を変えたりエネルギーを変えたりする
ともう適応できなくなる。本発明はそれゆえ図1のよう
な磁極を直接変形するという途をとらない。そうではな
くて、ヨーク磁極構造は単純平坦なものにし、コイル分
布に複雑な工夫を凝らしている。コイルの数を増やし
て、四重極、六重極作用を発揮することができるように
する。When the magnetic poles are geometrically deformed as shown in FIG. 1, a simple coil can have a quadrupole (Nx / R) action and a hexapole action (βx 2 / R 2 ). However, since the pole shape of the yoke is fixed, changing the beam type or changing the energy makes it no longer applicable. The present invention therefore does not take the route of directly deforming the magnetic pole as in FIG. Instead, the yoke magnetic pole structure is made simple and flat, and the coil distribution is complicatedly devised. Increase the number of coils to enable quadrupole and hexapole action.
【0036】そのような複雑な作用をもつ扇形磁石を複
数個組み合わせて、横長ビームをそのままに質量分析す
るようにするのである。By combining a plurality of fan-shaped magnets having such a complicated action, the laterally long beam is directly subjected to mass analysis.
【0037】扇形磁石の数mはここでは4つであるが、
3〜20個にすることもできる。扇形磁石の中心角の合
計(ΣΘ)は、実施例では126.5゜であるが、これ
に限らない。100゜〜240゜の範囲で目的に合致す
るような中心角とすれば良い。The number m of the fan-shaped magnets is four here,
It can be set to 3 to 20 pieces. The total central angle (ΣΘ) of the sector magnet is 126.5 ° in the embodiment, but is not limited to this. The central angle may be set within the range of 100 ° to 240 ° so as to meet the purpose.
【0038】ここの磁石のパラメータは、Θ、N、ε
(=β/R2 )である。入口、出口、スリットでの条件
を課して、これらのパラメータの最適値を計算する。そ
のために磁石中でのビーム軌道を解析する必要がある。The parameters of the magnet here are Θ, N, ε.
(= Β / R 2 ). Optimal values for these parameters are calculated by imposing conditions at the entrance, exit and slit. Therefore, it is necessary to analyze the beam trajectory in the magnet.
【0039】光線1本を表す6つの変量Xj (s)を定
義して、流れの方向sに分割した座標ごとにこれらの変
量の変化を計算する。流れ方向への分割を細かくする
と、k+1番目の分割点の変量の値を直前の分割点での
値の線形結合によって表すことができる。Six variables X j (s) representing one ray are defined, and changes in these variables are calculated for each coordinate divided in the flow direction s. When the division in the flow direction is made fine, the value of the variate at the k + 1th division point can be expressed by a linear combination of the values at the immediately previous division points.
【0040】X1 =x、X2 =θ、X3 =y、X4 =
φ、X5 =l、X6 =δとする。X 1 = x, X 2 = θ, X 3 = y, X 4 =
Let φ, X 5 = 1 and X 6 = δ.
【0041】1stオーダーの解析では、線形一次結合
の計算によって分割点の座標を求める。In the 1st order analysis, the coordinates of the division points are obtained by the calculation of linear linear combination.
【0042】 Xi (s+1)=ΣRijXj (s) (5)X i (s + 1) = ΣR ij X j (s) (5)
【0043】RijはB0 、N、Θなどによる。このよう
な積和の計算によって磁石出口での変量を求めることが
できる。2ndオーダーの計算では収差も含めて、R ij depends on B 0 , N, Θ, etc. The variable at the magnet outlet can be obtained by calculating the sum of products. In the calculation of the 2nd order, including the aberration,
【0044】 Xi (s+1)=ΣRijXj (s)+ΣTijk Xj (s)Xk (s) (6)X i (s + 1) = ΣR ij X j (s) + ΣT ijk X j (s) X k (s) (6)
【0045】というような計算をする。Tijk は、B
0 、N、Θ、εなどによる。The following calculation is performed. T ijk is B
0 , N, Θ, ε, etc.
【0046】このような計算をして、質量分析マグネッ
トの出口のビーム変量を計算する。スリットでの変量も
計算できる。これはビーム1本1本の解析であるから、
必要な刻みの全てについて計算する。各磁石M1〜Mm
について、スリットと出口で所望の結果が得られるよう
な、Θj、Nj、εjを求める。By performing such calculation, the beam variable at the exit of the mass analysis magnet is calculated. The variable at the slit can also be calculated. This is an analysis of each beam,
Calculate for all required ticks. Each magnet M1 to Mm
For Θ j, N j, ε j such that the desired result is obtained at the slit and exit.
【0047】[0047]
【実施例】図3は本発明のイオン注入装置の概略構成を
示す。イオン源1は原料ガスを導入して、マイクロ波や
放電によってこれをプラズマにし電圧を掛けてイオンビ
ームとして引き出すものである。出口、電極の形状に工
夫があり横長のビームを生成することができる。横方向
にx軸、縦方向にy軸をとっているから、x方向に長く
y方向に短い断面のビームを生成するということであ
る。例えば横幅が40cm、厚みが5cmのリボン状
(帯状)の平行イオンビームを生成する。エネルギーは
引出電圧によって自在に与えることができる。例えば数
十keV〜数百keVのエネルギーを持つ。横長ビーム
が複数の扇形磁石M1、M2、M3、M4よりなる質量
分析マグネット3に入る。入口2ではx方向に延びる平
行なビームであるが、これが磁場によって曲げられる。
中央(x=0)のビームが共通磁場By0 によって曲が
る円弧を基準円弧Rとする。z軸はこれに沿って定義す
る。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 3 shows a schematic structure of an ion implantation apparatus of the present invention. The ion source 1 introduces a raw material gas, turns it into plasma by microwaves or electric discharge, applies a voltage, and extracts it as an ion beam. The shape of the outlet and electrode has been devised so that a horizontally long beam can be generated. Since the x axis is in the horizontal direction and the y axis is in the vertical direction, it means that a beam having a cross section that is long in the x direction and short in the y direction is generated. For example, a ribbon-shaped (strip-shaped) parallel ion beam having a width of 40 cm and a thickness of 5 cm is generated. Energy can be freely given by the extraction voltage. For example, it has an energy of several tens keV to several hundreds keV. The horizontally long beam enters the mass analysis magnet 3 composed of a plurality of sector magnets M1, M2, M3, M4. At the entrance 2, a parallel beam extending in the x-direction, which is bent by the magnetic field.
An arc in which the central beam (x = 0) is bent by the common magnetic field By 0 is defined as a reference arc R. The z-axis is defined along this.
【0048】もしも一様磁場であれば、所望質量のイオ
ンは同じ半径Rを描いてマグネット内の磁場空間を走行
する。入口でx>0に位置したビームは、出口でx<0
にでる。磁石内の行路の中間部でほぼ収束するので、こ
こに適当な幅の穴を持つスリット4を設ける。所望の質
量をもつイオンだけがスリットを通過できる。それ以外
の質量のイオンはこのスリットに衝突し、スリット板に
注入されたり後方に散乱されたりしてスリット以後のビ
−ムラインには入射しない。If the magnetic field is uniform, ions of desired mass travel in the magnetic field space in the magnet with the same radius R. The beam located at x> 0 at the entrance is x <0 at the exit
Go out. A slit 4 having a hole of an appropriate width is provided here because it converges substantially in the middle of the path in the magnet. Only ions with the desired mass can pass through the slit. Ions having other masses collide with this slit and are injected into the slit plate or scattered backward so that they do not enter the beam line after the slit.
【0049】一旦収束してスリットを通過したビームは
発散し質量分析磁石3の出口ではx方向の分布がほぼ反
転した平行横長ビームになる。これが短い真空経路7を
通ってウェファ8に垂直入射する。ビーム幅T(ここで
は40cm)はウェファ直径W(ここでは30cm)よ
り長い(T>W)ので、ウェファの横幅全体にイオン注
入ができる。ウェファは縦方向(y方向)に並進させて
前面にイオン注入する。二次元位置検出器9がウェファ
の背後にあって横長ビームの電流密度を直接に測定する
ことができる。これは二次元に配列されたセンサをもつ
ファラディカップなどによって構成できる。The beam that has once converged and passed through the slit diverges and becomes a parallel horizontally long beam at the exit of the mass analysis magnet 3 with its distribution in the x direction being substantially inverted. It passes through the short vacuum path 7 and is incident vertically on the wafer 8. Since the beam width T (here, 40 cm) is longer than the wafer diameter W (here, 30 cm) (T> W), ion implantation can be performed over the entire lateral width of the wafer. The wafer is translated in the vertical direction (y direction) and ion-implanted on the front surface. The two-dimensional position detector 9 is located behind the wafer and can directly measure the current density of the oblong beam. This can be configured by a Faraday cup or the like having sensors arranged two-dimensionally.
【0050】図4はエンドステーションの部分をより詳
しく示している。またビームの進行方向が図3とは逆に
なっている。W1でカセットからウェファを搬送装置1
1によって取りだし、中間点W2を経てイオン注入点W
3に運ぶ。搬送装置はここでウェファの向きを垂直方向
に変えて面がビームに直角になるようにする。ウェファ
はy方向に並進走査される。これによってウェファの全
面にイオンビームが注入される。注入の終わったウェフ
ァは搬送装置11によってカセット位置W5に運ばれこ
こに逐次収容される。FIG. 4 shows the end station part in more detail. The traveling direction of the beam is opposite to that in FIG. Wafer transfer device from cassette at W1 1
1 through the intermediate point W2 and the ion implantation point W
Carry to 3. The carrier now redirects the wafer to a vertical orientation so that the surface is at right angles to the beam. The wafer is translationally scanned in the y direction. As a result, the ion beam is injected onto the entire surface of the wafer. The wafer after the injection is carried to the cassette position W5 by the carrying device 11 and sequentially accommodated therein.
【0051】質量分析磁石3の扇形磁石M1〜M4のパ
ラメータを調整して、ビームが蒸気のような軌跡を描い
て飛行するようにする。そのために1stオーダーの解
析をする。イオンビームは入口で平行に入射するとし、
分析スリット4において所望質量のイオンがスリットの
穴に収束するという束縛条件を課してM1、M2の中心
角Θ1、Θ2と傾斜を与えるN1、N2を決める。入口
でx方向に30cm〜40cmの広がりある平行ビーム
であるから、所望質量のイオンであっても、一様磁場で
はスリットにおいて収束しない。それで磁場を長手方向
直角方向に変えて必要がある。そのため複数の扇形磁石
を用い異なる磁場勾配Nを与えて所望イオンを強制的に
スリットで収束させる。The parameters of the sector magnets M1 to M4 of the mass analysis magnet 3 are adjusted so that the beam flies in a trajectory like steam. Therefore, 1st order analysis is performed. Ion beam is incident parallel at the entrance,
In the analysis slit 4, by imposing a constraint condition that ions of a desired mass converge on the hole of the slit, central angles Θ1 and Θ2 of M1 and M2 and N1 and N2 that give inclinations are determined. Since it is a parallel beam having a spread of 30 cm to 40 cm in the x direction at the entrance, even ions of desired mass do not converge at the slit in the uniform magnetic field. Therefore, it is necessary to change the magnetic field in the direction perpendicular to the longitudinal direction. Therefore, a plurality of fan-shaped magnets are used to give different magnetic field gradients N to force the desired ions to converge at the slit.
【0052】次にウェファ上での水平方向のビームサイ
ズとビーム発散角、垂直方向のビームサイズをビーム発
散角を指定する。さらに平行ビームになるような条件も
入れる。これらの束縛条件を満足するように、扇形磁石
(マグネットセクション)の中心角Θ3、Θ4と傾斜値
N1、N2を決定する。スリットにおいて強制的に収束
させた所望質量のイオンビームをそのまま一様磁場で曲
げると出口で都合良く平行にはならないしx方向の広が
りも十分でない。強制的にビームを広げ出口で平行にし
なければならない。そのために扇形磁石のN値を工夫す
る必要がある。Next, the horizontal beam size and beam divergence angle on the wafer and the vertical beam size are designated as the beam divergence angle. In addition, the conditions for a parallel beam are included. The central angles Θ3 and Θ4 and the inclination values N1 and N2 of the fan-shaped magnet (magnet section) are determined so as to satisfy these constraint conditions. If an ion beam of a desired mass that is forcibly converged at the slit is bent as it is with a uniform magnetic field, it will not be conveniently parallel at the exit and the spread in the x direction will not be sufficient. The beam must be forced out and parallel at the exit. Therefore, it is necessary to devise the N value of the sector magnet.
【0053】それだけではいけない。xの二乗の項の微
調整が必要である。これが2ndオーダーの解析であ
る。まず分析スリットにおける2次の収差の寄与を最小
にするようにマグネット入口のポールピースの曲率半
径、扇形磁石(マグネットセクション)M1、M2にお
けるεの値を決定する。さらに、ウェファにおける2次
の収差も最小になるようにマグネット出口のポールピー
スの曲率半径と扇形磁石M3、M4に於けるεの値を決
定する。1stオーダーの解析によって扇形磁石のΘ、
Nが、2ndオーダーの解析によってεが決まる。これ
らのパラメータを実現するために、ヨークには多数のコ
イルを巻き、適当な電流を流す。It is not the only one. Fine adjustment of the x squared term is required. This is an analysis of the 2nd order. First, the radius of curvature of the pole piece at the magnet entrance and the values of ε in the fan-shaped magnets (magnet sections) M1 and M2 are determined so as to minimize the contribution of the secondary aberration in the analysis slit. Further, the radius of curvature of the pole piece at the magnet exit and the value of ε in the fan-shaped magnets M3 and M4 are determined so that the secondary aberration in the wafer is also minimized. By the 1st order analysis, Θ of the fan-shaped magnet,
N is determined by the analysis of the 2nd order. In order to realize these parameters, a large number of coils are wound around the yoke and an appropriate current is passed.
【0054】次に、このビーム軌道解析によって得られ
た光学系のパラメータを実際のマグネットによって作り
出す事ができるかどうかを示す。Next, it will be shown whether the parameters of the optical system obtained by the beam trajectory analysis can be produced by an actual magnet.
【0055】実際のマグネットの形状を基にして磁場解
析を行い、コイルの電流巻数積(アンペアターン)によ
って光学系のパラメータがどのように変化するかを調べ
た。マグネットのヨーク形状は扇形であり、中心角Θに
よってその大きさを規定する。またヨークにおいてコイ
ルは図5のように設ける。ここではコイルを合計16個
取り付けている。ヨークはロの字型の閉磁路を形成す
る。長辺がx方向に平行であり、短辺がy方向に平行で
ある。Magnetic field analysis was carried out based on the actual shape of the magnet, and it was examined how the parameters of the optical system varied depending on the product of the number of turns of the coil (ampere turn). The yoke shape of the magnet is fan-shaped, and its size is defined by the central angle Θ. Further, the coil is provided in the yoke as shown in FIG. Here, a total of 16 coils are attached. The yoke forms a square-shaped closed magnetic circuit. The long side is parallel to the x direction and the short side is parallel to the y direction.
【0056】それぞれのコイルはヨークに巻き付いてい
るから、ヨーク面での断面ではコイルのワイヤを直角に
分断した二面が現れる。同じコイルの対の断面には同じ
記号数字を付している。同じ記号数字を付すがそれぞれ
プラスとマイナス記号によって区別される。プラスが付
されている断面では電流が紙面から沸き上がるように流
れる。マイナスが付されている断面では電流が紙面に吸
い込まれる方向に流れる。プラスのコイルを右にマイナ
スのコイルを左に見て上向きの磁束密度がヨーク内に生
ずる。Since each coil is wound around the yoke, two surfaces obtained by dividing the coil wire at right angles appear in the cross section of the yoke surface. Sections of the same pair of coils have the same reference numerals. The same symbols and numbers are attached, but they are distinguished by plus and minus symbols. In the cross section marked with plus, the electric current flows so as to boil up from the paper surface. In the cross section with a minus sign, the current flows in the direction in which it is drawn into the paper. An upward magnetic flux density is generated in the yoke when the positive coil is viewed on the right and the negative coil is viewed on the left.
【0057】16個のコイルは、ダイポールコイル、ク
ァドラポ−ルコイル、セクタポールコイルに分けられ
る。図2では円錐形の空心コイルによって異方性磁場形
成を説明した。実際にはヨークに円錐コイルを巻くとい
うような事はできない。ヨークに平行な芯を持つ円筒コ
イルを使う事になる。円筒コイルでもいくつかを組み合
わせることによって四重極、六重極の磁場を等価的に形
成できる。The 16 coils are divided into a dipole coil, a quadrupole coil and a sector pole coil. In FIG. 2, the anisotropic magnetic field formation is described by the conical air-core coil. Actually, it is not possible to wind a conical coil around the yoke. A cylindrical coil with a core parallel to the yoke will be used. Even with a cylindrical coil, the magnetic fields of a quadrupole and a hexapole can be equivalently formed by combining some of them.
【0058】横長ビームを横方向に曲げるので、横長の
ヨーク12を使う。ビームが通過する真空容器13を囲
むようにヨーク12が設けられる。ヨークは左縦枠1
4、下横枠15、右縦枠16、上横枠17よりなる。ヨ
ーク12はxz面では扇形をしているからヨークの厚み
は場所によって異なる。用途別にコイルを分類する。Since the horizontally long beam is bent in the horizontal direction, the horizontally long yoke 12 is used. A yoke 12 is provided so as to surround a vacuum container 13 through which the beam passes. York is left vertical frame 1
4, a lower horizontal frame 15, a right vertical frame 16, and an upper horizontal frame 17. Since the yoke 12 is fan-shaped in the xz plane, the thickness of the yoke differs depending on the location. Categorize coils by application.
【0059】ダイポールコイル:1、5
クァドラポ−ルコイル:2、3、4、6、7、8
セクタポール:s1、s2、s3、s4、s5、s6、
s7、s8Dipole coil: 1,5 Quadrapole coil: 2, 3, 4, 6, 7, 8 Sector pole: s1, s2, s3, s4, s5, s6,
s7, s8
【0060】コイル1と5はヨークの縦枠14、16に
おいて上向き磁束密度を作り出す。これが上横枠17の
中点Uで下向き磁束密度になり、下向きに真空中を伝搬
し、下横枠15の中点Dで横向き磁束密度になる。これ
がダイポール磁場B0を作り出す。図2(a)の磁場2
1と等価である。コイル1、5の電流は常に同一である
か比例して増減するようにする。The coils 1 and 5 produce an upward magnetic flux density in the vertical frames 14 and 16 of the yoke. This becomes the downward magnetic flux density at the midpoint U of the upper horizontal frame 17, propagates downward in the vacuum, and becomes the lateral magnetic flux density at the midpoint D of the lower horizontal frame 15. This creates a dipole magnetic field B0. Magnetic field 2 of FIG. 2 (a)
It is equivalent to 1. The currents of the coils 1 and 5 are always the same or increase or decrease in proportion.
【0061】コイル3、7は横枠17、15に右向き、
左向きの磁束密度を作り出す。これは図2(b)の上方
右向き磁場22と下方左向き磁場23に該当する。コイ
ル2と8は左縦枠14に下向きの磁束密度を生成する。
図2(b)の磁束密度25に当たる。コイル4とコイル
6は右縦枠16に上向き磁場を発生する。図2(b)の
磁束密度24にあたる。このように6つのコイルによっ
て、四重極磁場を透過的に生成することができる。これ
はB0 Nx/Rのようなxの一次依存性を与える。The coils 3 and 7 face to the horizontal frames 17 and 15 to the right,
Creates a leftward magnetic flux density. This corresponds to the upward rightward magnetic field 22 and the downward leftward magnetic field 23 in FIG. The coils 2 and 8 generate a downward magnetic flux density in the left vertical frame 14.
This corresponds to the magnetic flux density 25 in FIG. The coils 4 and 6 generate an upward magnetic field in the right vertical frame 16. This corresponds to the magnetic flux density 24 in FIG. Thus, the six coils can transparently generate the quadrupole magnetic field. This gives a linear dependence of x such as B 0 Nx / R.
【0062】図2(b)ではふたつの円錐空芯コイルに
よって四重極磁場を作っているが、四辺形のヨークに巻
き付けたコイルによって同じ磁場分布を作るには6つの
コイルが必要である。これら6つのコイルの電流は別々
に制御することもできる。しかしきちんとした四重極磁
場を常に形成するためにはそれぞれのコイル電流は常に
比例して増減する必要がある。ここでは電流巻数積が6
つのコイルで等しくなるように増減し、磁場傾斜を与え
るN値を制御している。In FIG. 2B, the quadrupole magnetic field is created by two conical air core coils, but six coils are required to create the same magnetic field distribution by the coils wound around the quadrilateral yoke. The currents in these six coils can also be controlled separately. However, in order to always form a proper quadrupole magnetic field, the respective coil currents must always increase or decrease in proportion. Here, the product of current turns is 6
The N value that gives the magnetic field gradient is controlled by increasing / decreasing so that the two coils are equal.
【0063】図6は四重極コイルの電流巻数積を増減し
たときのN値の変化を示すグラフである。これはコイル
3、7、2、4、6、8の全てについて共通に電流変化
させたものである。電流巻数積とN値は綺麗に正比例の
関係にある。例えば9000ATでN=1になる。FIG. 6 is a graph showing changes in the N value when the current turns product of the quadrupole coil is increased or decreased. This is a common current change for all of the coils 3, 7, 2, 4, 6, 8. The product of the number of turns of electric current and the N value are clearly in direct proportion. For example, N = 1 at 9000 AT.
【0064】図5において残りのコイルは全部六重極磁
場を発生させるものである。s2とs3は隣接してお
り、電流の方向が反対になっている。そのようなコイル
の組が4つある。s3とs4はヨーク枠15、16、1
7に反時計回り磁場を生ずる。これが図2の(c)の磁
場26を生ずる(符号は反対になっている)。隣接する
s2、s5は同じ枠組に、時計回りの磁場を生じる。こ
れが先ほどの磁場を打ち消すので、図2(c)の小さい
磁場27を残すようになる。In FIG. 5, the remaining coils all generate a hexapole magnetic field. s2 and s3 are adjacent to each other, and the current directions are opposite to each other. There are four such coil sets. s3 and s4 are yoke frames 15, 16 and 1
A counterclockwise magnetic field is generated at 7. This produces the magnetic field 26 of FIG. 2 (c) (the signs are opposite). Adjacent s2 and s5 generate a clockwise magnetic field in the same framework. Since this cancels the magnetic field, the small magnetic field 27 in FIG. 2C is left.
【0065】図7は六重極のコイル電流巻数積とεの関
係を示すグラフである。これも全ての関連コイルs1〜
s8の電流を同一にするように変化させている。400
0ATでεが0.00075程度になる。FIG. 7 is a graph showing the relationship between the product of the coil current turns of the hexapole and ε. This is also all related coils s1
The current of s8 is changed to be the same. 400
At 0 AT, ε is about 0.00075.
【0066】先ほどの解析によって扇形磁石の中心角
Θ、N値、εが求められた。Θは磁石の幾何学的形状を
規定するもので一定値である。N値とεは、コイル電流
を規定する。所望のN値、εは電流によって自在に与え
る事ができる。電流によって磁場勾配、曲率を与えるか
ら柔軟性に富む。自由にこれらの値を変化させ、注入イ
オンやエネルギーの変更に対応することができる。磁石
パラメータの一例を次に示す。The central angle Θ, N value, and ε of the fan-shaped magnet were obtained by the above analysis. Θ defines the geometrical shape of the magnet and is a constant value. The N value and ε define the coil current. The desired N value and ε can be freely given by the current. It is highly flexible because it gives a magnetic field gradient and curvature by an electric current. It is possible to freely change these values and respond to changes in implanted ions and energy. An example of magnet parameters is shown below.
【0067】(1)基準半径R=60cm
(2)4つの扇形磁石の合計の中心角 126.5゜
(3)質量分析磁石入口での半径R1=72.14cm
(4)質量分析磁石出口での半径R2=76.34cm
(5)扇形磁石M1:Θ1=42゜、N1=−1.01
006、ε1=−4.9576×10-4
(6)扇形磁石M2:Θ2=23.5゜、N2=1.0
9953、ε2=2.0544×10-3
(7)扇形磁石M3:Θ3=19゜、N3=2.773
4、ε3=3.3142×10-3
(8)扇形磁石M4:Θ4=42゜、N4=−1.32
62、ε4=−6.317×10-4 (1) Reference radius R = 60 cm (2) Total center angle of four sector magnets 126.5 ° (3) Radius R1 = 72.14 cm at mass analysis magnet inlet (4) At mass analysis magnet outlet Radius R2 = 76.34 cm (5) Fan magnet M1: Θ1 = 42 °, N1 = −1.01
006, ε1 = −4.9576 × 10 −4 (6) Fan magnet M2: Θ2 = 23.5 °, N2 = 1.0
9953, ε2 = 2.0544 × 10 −3 (7) Fan magnet M3: Θ3 = 19 °, N3 = 2.773
4, ε3 = 3.3142 × 10 −3 (8) Fan magnet M4: Θ4 = 42 °, N4 = −1.32.
62, ε4 = −6.317 × 10 −4
【0068】このような磁石の組み合わせによって、イ
オンを質量分析して必要なイオンだけをウェファに注入
することができるようになった。この実施例によって、
ビームを質量分析しウェファに輸送した場合の、ウェフ
ァでのビームエミッタンスダイヤグラムを図8と図9に
示す。図8はウェファでのx方向のビーム広がりを示
す。横軸はx座標(cm)であり、縦軸はx方向へのビ
ームの広がり角(単位はmr:ミリラディアン)であ
る。ビームの横方向広がりは約40cmである。広がり
角度は16mrの程度である。図9はy方向の広がりを
示す。縦軸がy座標(cm)であり、横軸はy方向の広
がり角度である。y方向の幅は5cmである。広がり角
度は40mrである。つまりウェファ面上でほぼ40c
m×5cmの矩形断面ビームになる。広がり角度が小さ
いことから、平行性に優れたビームでありウェファに垂
直に入射される事ができる。With such a combination of magnets, it has become possible to mass-analyze ions and inject only necessary ions into the wafer. By this example,
The beam emittance diagrams at the wafer when the beam is mass analyzed and transported to the wafer are shown in FIGS. 8 and 9. FIG. 8 shows the beam spread in the x direction at the wafer. The horizontal axis is the x coordinate (cm), and the vertical axis is the beam divergence angle in the x direction (unit: mr: milliradian). The lateral spread of the beam is about 40 cm. The divergence angle is about 16 mr. FIG. 9 shows the spread in the y direction. The vertical axis represents the y coordinate (cm), and the horizontal axis represents the spread angle in the y direction. The width in the y direction is 5 cm. The spread angle is 40 mr. That is, about 40c on the wafer surface
The beam has a rectangular cross section of m × 5 cm. Since the divergence angle is small, the beam has excellent parallelism and can be vertically incident on the wafer.
【0069】このようにバランスの取れたビームになる
のは、扇形磁石によってビーム軌道を強制的に修正して
いるからである。図10は磁石の収差補正(2次補正)
をしない(ε=0)場合のウェファにおけるビーム強度
分布を示す。ウェファは分析磁石の出口から下流側50
cmにある。横軸はx座標、奥行きがy座標である。高
さが強度分布を表す。x>0の方にビーム強度が偏在し
ているのがわかる。これでは、ウェファ面に均一にイオ
ン注入することができない。The reason why the beam is balanced as described above is that the beam trajectory is forcibly corrected by the fan magnet. Fig. 10 shows aberration correction of magnet (secondary correction).
The beam intensity distribution on the wafer when not performing (ε = 0) is shown. The wafer is 50 downstream from the outlet of the analysis magnet.
in cm. The horizontal axis is the x coordinate and the depth is the y coordinate. The height represents the intensity distribution. It can be seen that the beam intensity is unevenly distributed when x> 0. In this case, it is impossible to uniformly implant ions on the wafer surface.
【0070】図11は磁石の2次の収差補正をする場合
のウェファに於ける強度分布を示す。つまり有限のεの
値を与えs1〜s8のコイルに有限の電流を流す。横軸
はx座標、奥行きがy座標である。x座標に沿って強度
分布がほぼ一様である事が分かる。εの値は小さいが、
それによる補正効果は大きい。εによる修正をしなけれ
ば均一なイオン注入を行う事ができない。FIG. 11 shows the intensity distribution in the wafer when the secondary aberration of the magnet is corrected. That is, a finite value of ε is given and a finite current is passed through the coils of s1 to s8. The horizontal axis is the x coordinate and the depth is the y coordinate. It can be seen that the intensity distribution is almost uniform along the x coordinate. Although the value of ε is small,
The correction effect by that is large. Unless corrected by ε, uniform ion implantation cannot be performed.
【0071】同じ設定において、流れに沿うビームエン
ベロープを求めた。実際の流れ方向は円弧に沿うが直線
に引き直して図示している。図12は、yz面でのビー
ム包絡面である。イオン源から(z=0)でたビームは
約5cmの厚みを持つ。これがz=30cm〜160c
mの間に設けられる磁石によってx方向に曲げられる。
y方向の厚みには殆ど変化がない。z=100cmにス
リットが設置される。210cmの位置にウェファがあ
る。ここでもy方向の厚みは約5cmである。With the same settings, the beam envelope along the flow was determined. The actual flow direction follows the arc, but is drawn straight again. FIG. 12 is a beam envelope surface in the yz plane. The beam at (z = 0) from the ion source has a thickness of about 5 cm. This is z = 30cm-160c
It is bent in the x direction by a magnet provided between m.
There is almost no change in the thickness in the y direction. A slit is installed at z = 100 cm. There is a wafer at 210 cm. Again, the y-direction thickness is about 5 cm.
【0072】図13はxz面でのビーム包絡面である。
初めx方向に40cm程度の広がりを持つ平行ビームが
イオン源から出る。磁石が存在するz=30cm〜16
0cmの間でビームが円弧を描く。この円弧の半径は大
体同じであるから、平行なビームは中間点近傍で弱く収
束する(z=100cm)。一様磁場では一点に収束し
ないので異方性磁場を採用し強制的にスリットの直前で
収束するようにしている。収束した後は発散し出口z=
160cmでほぼ平行ビームになる。FIG. 13 is a beam envelope surface in the xz plane.
Initially, a parallel beam having a spread of about 40 cm in the x direction emerges from the ion source. Z = 30 cm to 16 with magnet present
The beam draws an arc between 0 cm. Since the radii of the arcs are approximately the same, the parallel beams converge weakly near the midpoint (z = 100 cm). Since a uniform magnetic field does not converge to a single point, an anisotropic magnetic field is adopted to force the convergence just before the slit. After convergence, it diverges and exits z =
At 160 cm, the beam becomes almost parallel.
【0073】[0073]
【発明の効果】本発明のイオン注入装置は、対象物(ウ
ェファ)直径Wよりも大きい横幅Tをもつイオンビーム
をウェファに当てるからウェファはビーム厚み方向に並
進させれば良いだけである。ウェファの駆動機構が従来
のように回転と並進運動の複雑な組み合わせではなく、
単純な並進運動だけを行えば良いようになる。エンドス
テーションの構造が単純でコストダウンが可能になる。
さらに注入時間を短縮してスループットを向上させるこ
とができる。In the ion implantation apparatus of the present invention, an ion beam having a lateral width T larger than the object (wafer) diameter W is applied to the wafer, so that the wafer need only be translated in the beam thickness direction. The drive mechanism of the wafer is not a complicated combination of rotation and translation as in the past,
Only a simple translational movement is needed. The structure of the end station is simple and the cost can be reduced.
Further, the injection time can be shortened and the throughput can be improved.
【0074】質量分析されたイオンビームがウェファに
照射される。所望イオン以外のイオンが対象物に注入さ
れない。従来の非質量分離タイプのイオン注入に比べて
不純物混入に対する懸念が大幅に解消されうる。The wafer is irradiated with the ion beam subjected to mass spectrometry. Ions other than the desired ions are not injected into the object. Compared with the conventional non-mass separation type ion implantation, the concern about contamination of impurities can be largely eliminated.
【0075】従来は、大面積基板にイオン注入しようと
すると、質量分離機能と、ビーム整形機能の二つの要素
が必要であった。本発明では、1台のマグネットが、質
量分析機能とビーム収束補正機能の両方を兼備してい
る。為にシステム構成が単純である。Conventionally, when attempting to implant ions into a large area substrate, two elements, a mass separation function and a beam shaping function, were required. In the present invention, one magnet has both a mass analysis function and a beam convergence correction function. Therefore, the system configuration is simple.
【0076】ダイポール、クァドラポ−ル、セクタポー
ルの係数を自在に設定できる複数の線形磁石を組み合わ
せており、質量分析磁石の出口でビームをほぼ平行にす
ることができる。マグネット出口でのビームを平行にで
きるのでマグネットからウェファまでの距離を短くする
事ができる。行路が短いので真空行路中に存在するガス
分子との衝突による中性粒子発生を抑制することができ
る。A combination of a plurality of linear magnets whose coefficients of dipole, quadrapole and sector pole can be freely set is combined, and the beam can be made substantially parallel at the exit of the mass analysis magnet. Since the beam at the magnet exit can be made parallel, the distance from the magnet to the wafer can be shortened. Since the path is short, it is possible to suppress generation of neutral particles due to collision with gas molecules existing in the vacuum path.
【0077】おのおのの線形磁石は、ダイポール、クァ
ドラポ−ル、セクタポールの要素を持つようにするが、
磁極の幾何学的な形状を変形するのではない。磁極は平
坦平面であるが複雑なコイルの組み合わせによってそれ
らの高次効果を発揮している。磁極自体には傾斜や湾曲
を付けないので、ビームアクセプタンスを大きくする事
ができる。また磁場勾配や磁場湾曲が固定されず電流に
よって任意に変更することができる。Each linear magnet has dipole, quadrupole and sector pole elements.
It does not deform the geometric shape of the poles. The magnetic poles are flat planes, but their high-order effects are exhibited by a complicated combination of coils. Since the magnetic pole itself is not inclined or curved, the beam acceptance can be increased. Further, the magnetic field gradient and the magnetic field curvature are not fixed and can be arbitrarily changed by the current.
【0078】ドリフト空間の距離がイオン源からマグネ
ットまでと、マグネットからウェファまでが極短い。為
に空間電荷効果によるビーム発散を抑制できる。またド
リフト空間でビームを収束させると空間電荷中和のため
にビーム発散が顕著に起こる傾向にあるが、本発明では
ビームの断面積を大きくし電流密度を低くできるので空
間電荷効果が現れ難く、空間電荷中和用のプラズマフラ
ッドガンなどの機能に対する配慮が少なくて済む。The distance of the drift space is very short from the ion source to the magnet and from the magnet to the wafer. Therefore, the beam divergence due to the space charge effect can be suppressed. When the beam is converged in the drift space, beam divergence tends to occur remarkably due to space charge neutralization, but in the present invention, since the beam cross-sectional area can be increased and the current density can be lowered, the space charge effect is difficult to appear, Less consideration is given to functions such as a plasma flood gun for space charge neutralization.
【0079】独立して電流制御できる多重極コイルをヨ
ーク上に多数配置した。それぞれのコイルは独立して電
流制御できるので、ビーム光学系のパラメータが固定さ
れない。自在にダイナミックに制御することができる。
大面積のイオンビームをマグネットによって質量分析し
輸送しようとするとマグネット光学系の収差が大きくパ
ラメータの調整が難しい。固定されたパラメータでは、
イオン源のセットアップの状態が変わったときに補正す
ることが不可能であった。本発明は、このようなイオン
源の状態変化にも柔軟に対応する事ができる。A large number of multipole coils that can independently control the current are arranged on the yoke. Since the currents of the respective coils can be controlled independently, the parameters of the beam optical system are not fixed. It can be dynamically controlled freely.
If a large area ion beam is mass analyzed and transported by a magnet, the aberration of the magnet optical system is large and it is difficult to adjust the parameters. With fixed parameters,
It was impossible to compensate when the state of the ion source setup changed. The present invention can flexibly cope with such a state change of the ion source.
【0080】ビーム面積が大きく、実効的なビーム電流
密度を低くする事ができる。ためにウェファのチャージ
アップ現象を抑制することができる。例えば通常の大電
流イオン注入装置では、ビームサイズが5cm角型(断
面積25cm2 )という場合、イオン電流が10mAの
程度に設定する事が多い。この場合イオンビームの電流
密度は400μA/cm2 である。Since the beam area is large, the effective beam current density can be lowered. Therefore, the charge-up phenomenon of the wafer can be suppressed. For example, in a normal high-current ion implanter, when the beam size is a 5 cm square type (cross-sectional area 25 cm 2 ), the ion current is often set to about 10 mA. In this case, the current density of the ion beam is 400 μA / cm 2 .
【0081】これに対して横長ビームを用いる本発明で
は、例えばビーム断面を幅30cm、厚み5cm(断面
積150cm2 )とすることができる。イオン電流を同
じ10mAとすると、電流密度は70μA/cm2 に過
ぎないので、チャージアップが起こらない。本発明はチ
ャージアップの余裕があるので、全電流をさらに大きく
することができる。電流を上げることによってスループ
ットを上げることができるのである。イオン源から引き
出されるビーム電流密度が低いので、空間電荷効果によ
るビーム発散の恐れがない。On the other hand, in the present invention using a laterally long beam, for example, the beam cross section can have a width of 30 cm and a thickness of 5 cm (cross sectional area 150 cm 2 ). If the ion current is 10 mA, the current density is only 70 μA / cm 2 , so that charge-up does not occur. Since the present invention has a margin for charge-up, the total current can be further increased. Throughput can be increased by increasing the current. Since the beam current density extracted from the ion source is low, there is no fear of beam divergence due to the space charge effect.
【図1】二重極(ダイポール)、四重極(クァドラポ−
ル)、六重極(セクタポール)磁場を形成できる磁極の
形状を示す断面図。ヨークの磁極(ポール)形状に傾斜
を持たせて磁場の一次成分、湾曲を持たせて二次成分を
与えることができる。ヨークに起磁力を与えるコイルは
単純な通常のコイルである。これは補正磁場を与えるこ
とができるが係数が固定されるので自由に変更できな
い。[Figure 1] Double pole (dipole), quadrupole (quadrapo-
2) and a sectional view showing the shape of a magnetic pole capable of forming a hexapole (sector pole) magnetic field. It is possible to give a primary component of a magnetic field by giving an inclination to a magnetic pole (pole) shape of a yoke and give a secondary component by giving a curvature. The coil that gives the magnetomotive force to the yoke is a simple ordinary coil. This can give a correction magnetic field but cannot change freely because the coefficient is fixed.
【図2】多重極磁場をコイル組み合わせによって生成す
ることが可能であることを説明する図。(a)は円筒コ
イルひとつによって二重極磁場を生成している。(b)
は円錐コイルを二つ組み合わせて四重極磁場Nx/Rを
生成している。(c)は3つのコイルによって六重極磁
場βx2 /R2 を形成している。FIG. 2 is a diagram illustrating that a multipole magnetic field can be generated by a combination of coils. In (a), a double-pole magnetic field is generated by one cylindrical coil. (B)
Generates a quadrupole magnetic field Nx / R by combining two conical coils. In (c), a hexapole magnetic field βx 2 / R 2 is formed by three coils.
【図3】本発明のイオン注入装置の概略構成図。イオン
源から出た横長ビームを複数の扇形磁石によって曲げて
スリットによって質量分析し平行ビームとしてから対象
物(ウェファ)に照射する。FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an ion implantation apparatus of the present invention. A horizontally long beam emitted from an ion source is bent by a plurality of fan-shaped magnets, mass analysis is performed by a slit, and a parallel beam is formed before irradiation on an object (wafer).
【図4】エンドステーションを含めた本発明のイオン注
入装置の構成図。FIG. 4 is a configuration diagram of an ion implantation apparatus of the present invention including an end station.
【図5】本発明で質量分析のために用いる扇形磁石のヨ
ークとコイルの分布図。コイルはヨーク面に平行な面で
切った断面図によって示す。同じ数字記号の付されてい
るものが同じコイルの二つの断面である。「+」とある
のは電流が紙面上向きに流れていることを示す。「−」
とあるのは電流が紙面下向きに流れていることを示す。
1と5が最も大きいコイルでありヨークにダイポール磁
場を発生させる。2、3、4、6、7、8はヨークにク
ァドラポ−ル磁場を発生させるコイルである。s1、s
2、s3、s4、s5、s6、s7、s8がセクタポー
ル磁場を生じさせるコイルである。FIG. 5 is a distribution diagram of yokes and coils of a fan-shaped magnet used for mass spectrometry in the present invention. The coil is shown by a sectional view taken along a plane parallel to the yoke surface. Two cross-sections of the same coil are marked with the same numerical symbols. "+" Indicates that the current is flowing upward in the drawing. "-"
The presence of a current means that the electric current is flowing downward in the drawing.
1 and 5 are the largest coils and generate a dipole magnetic field in the yoke. Reference numerals 2, 3, 4, 6, 7, and 8 are coils that generate a quadrupole magnetic field in the yoke. s1, s
2, s3, s4, s5, s6, s7, and s8 are coils that generate a sector pole magnetic field.
【図6】図5のコイルにおいて、二重極を発生させるコ
イル2、3、4、6、7、8に同時に同一の電流を流し
て、x方向の磁場の傾斜を生じさせ、傾斜係数N値とコ
イル電流の関係を実測した結果を示すグラフ。横軸は二
重極コイルの電流巻数積(アンペアターン:AT)であ
る。縦軸はNx/Rの係数Nを示す。コイル電流と傾斜
Nがきれいな線形関係にある事が分かる。FIG. 6 is a view showing a coil of FIG. 5 in which the same current is simultaneously applied to coils 2, 3, 4, 6, 7, and 8 for generating a double pole to generate a gradient of a magnetic field in the x direction, and a gradient coefficient N. The graph which shows the result of having measured the relationship between a value and coil current. The horizontal axis is the current winding product (ampere turn: AT) of the double pole coil. The vertical axis represents the coefficient N of Nx / R. It can be seen that the coil current and the slope N have a clean linear relationship.
【図7】図5のコイルにおいて、四重極を発生させるコ
イルs1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8
に同時に同じ電流を流しx方向の磁場湾曲を生じさせ、
湾曲の係数εと、コイル電流の関係を実測した結果を示
すグラフ。横軸はコイル電流と巻数の積(AT)であ
り、縦軸はそれによるεである。湾曲磁場はxの関数と
してεx2 =βx2 /R2 によって表現される。四重極
用のコイル電流と、εは線形関係にある。FIG. 7 is a diagram showing coils s1, s2, s3, s4, s5, s6, s7, s8 for generating quadrupoles in the coil of FIG.
The same current is applied to the two simultaneously to generate a magnetic field curvature in the x direction,
The graph which shows the result of having measured the relationship of the coefficient ε of bending and the coil current. The horizontal axis represents the product of the coil current and the number of turns (AT), and the vertical axis represents ε. The bending magnetic field is expressed as εx 2 = βx 2 / R 2 as a function of x. The coil current for the quadrupole and ε have a linear relationship.
【図8】ウェファにおけるx方向のエミッタンスダイア
グラムを示す。横軸はウェファでのx軸方向のビーム広
がり(cm)を、縦軸はx軸方向のビーム広がり角度
(単位はミリラディアン:1mr=0.057゜)であ
り、等高線は等しいビーム密度の(x,dx)を結んだ
ものである。横方向(x方向)の広がり−20cm〜+
20cmにおいてビームの広がり角は大体一定(10m
r程度)で収束性優れた帯状断面のビームであることが
わかる。FIG. 8 shows an emittance diagram in the x direction on a wafer. The horizontal axis is the beam divergence (cm) in the x-axis direction on the wafer, the vertical axis is the beam divergence angle (unit: milliradian: 1 mr = 0.057 °) in the x-axis direction, and the contour lines are the same beam density ( x, dx) are connected. Lateral (x direction) spread -20 cm ~ +
At 20 cm, the divergence angle of the beam is roughly constant (10 m
It can be seen that the beam has a band-shaped cross section with excellent convergence at about r).
【図9】ウェファにおけるy方向のエミッタンスダイア
グラムを示す。縦軸はウェファでのy方向のビーム広が
り(cm)を示す。縦方向のビーム広がり幅は5cm程
度である。横軸はそのy座標におけるy方向のビーム広
がり角度(単位はミリラディアン:1mr=0.057
゜)である。等高線は等しいビーム密度の(y,dy)
をむすんだものである。縦方向のビーム広がりは5cm
程度であるが特に密度の高いのは3cmの幅にある。広
がり角度は±20mrの程度である。y方向の広がり角
度の方がx方向よりも大きくなっている。y方向に収束
性を与える磁場(Bx)を特に使っていないからである
が、多重極磁場Byによってy方向の発散を抑えている
からこの程度の小さい発散角に抑えられているのであ
る。FIG. 9 shows an emittance diagram in the y-direction on a wafer. The vertical axis represents the beam divergence (cm) in the y direction on the wafer. The beam divergence width in the vertical direction is about 5 cm. The horizontal axis represents the beam divergence angle in the y direction on the y coordinate (unit is milliradian: 1 mr = 0.057).
゜). Contour lines have the same beam density (y, dy)
It is something that Vertical beam divergence is 5 cm
It is in the range of 3 cm that the density is particularly high. The spread angle is about ± 20 mr. The spread angle in the y direction is larger than that in the x direction. This is because the magnetic field (Bx) that gives convergence in the y direction is not particularly used, but since the divergence in the y direction is suppressed by the multipole magnetic field By, the divergence angle is suppressed to such a small divergence angle.
【図10】質量分析磁石の収差を補正しないときの、ウ
ェファにおけるビームのxy強度分布を示す立体グラ
フ。横軸はウェファ上に取ったx軸である。奥行きはy
軸である。縦軸がビーム強度分布を示す。ビームがウェ
ファの中心よりもx>0(外側)の側に偏在している。
これはスリットの穴を透過したイオンビームが多くの場
合外向きの速度成分を持ち一様磁場ではこれを矯正する
ことができないからである。FIG. 10 is a three-dimensional graph showing the xy intensity distribution of the beam on the wafer when the aberration of the mass analysis magnet is not corrected. The horizontal axis is the x-axis taken on the wafer. Depth is y
It is an axis. The vertical axis represents the beam intensity distribution. The beam is unevenly distributed on the side of x> 0 (outside) with respect to the center of the wafer.
This is because the ion beam transmitted through the slit holes often has an outward velocity component and cannot be corrected by a uniform magnetic field.
【図11】質量分析磁石の収差を補正したときの、ウェ
ファにおけるビームのxy強度分布を示す立体グラフ。
横軸はウェファ上に取ったx軸である。奥行きはウェフ
ァ上に取ったy軸である。縦軸がビームの強度を示す。
x=0の両側にほぼ均等にビームが分布する。スリット
の穴を通過したイオンビームを内側に曲げるような異方
性磁場が存在するからである。FIG. 11 is a three-dimensional graph showing the xy intensity distribution of the beam on the wafer when the aberration of the mass analysis magnet is corrected.
The horizontal axis is the x-axis taken on the wafer. Depth is the y-axis taken on the wafer. The vertical axis represents the beam intensity.
The beams are distributed almost evenly on both sides of x = 0. This is because there is an anisotropic magnetic field that bends the ion beam that has passed through the slit holes inward.
【図12】基準円弧(z軸)に沿うビームのy方向幅の
変化を、z軸を直線に引き直して示すエンベロープ図。
横軸は基準円弧に沿ったz軸である。z=0cmはイオ
ン源の出口である。z=220cmはウェファ面の位置
である。質量分析磁石はz=30cmから160cmの
範囲に設けられている。z=100cmの中間部にスリ
ットが設けられる。y幅はイオン源で約5cm、中間部
で少し広がるが、これを越えると減少に転じ、ウェファ
面では5cm程度になる。つまり質量分析磁石を通過す
る時、y方向にはイオンビーム軌跡は殆ど変化しない。FIG. 12 is an envelope diagram showing a change in width in the y direction of a beam along a reference arc (z axis) by redrawing the z axis into a straight line.
The horizontal axis is the z-axis along the reference arc. z = 0 cm is the outlet of the ion source. z = 220 cm is the position of the wafer surface. The mass analysis magnet is provided in the range of z = 30 cm to 160 cm. A slit is provided in the middle part of z = 100 cm. The y-width is about 5 cm at the ion source and slightly widens in the middle part, but when it exceeds this, it begins to decrease and becomes about 5 cm on the wafer surface. That is, when passing through the mass analysis magnet, the ion beam trajectory hardly changes in the y direction.
【図13】基準円弧(z軸)に沿うビームのx方向幅の
変化を、z軸を直線に引き直して示すエンベロープ図。
横軸は基準円弧に沿ったz軸である。z=0cmはイオ
ン源の出口である。z=220cmはウェファ面の位置
である。質量分析磁石がz=30cmから160cmの
範囲に設けられているのでイオンビームはこの範囲で円
弧を描く。マグネットのパラメータを工夫して、所望の
質量を持つイオンはz=100cmの中間部でx方向に
局在するようにしている。所定ビームをx方向に十分に
絞った位置にスリットが設けられる。これ以外の質量の
ビームはスリットの板面にあたり穴を通過できない。基
準円弧Rを直線に引き延ばしているから、入口側と出口
側でのビームのx方向の位置は逆転する。磁石入口z=
30cmでx=20cmにあったビームは、出口z=1
60cmではx=−20cmにある。ビームがz=10
0cmのスリットの辺りで一旦収束するから質量分析が
可能である。FIG. 13 is an envelope diagram showing a change in width in the x direction of a beam along a reference arc (z axis) by redrawing the z axis into a straight line.
The horizontal axis is the z-axis along the reference arc. z = 0 cm is the outlet of the ion source. z = 220 cm is the position of the wafer surface. Since the mass analysis magnet is provided in the range of z = 30 cm to 160 cm, the ion beam draws an arc in this range. The parameters of the magnet are devised so that the ions having the desired mass are localized in the x direction at the intermediate portion of z = 100 cm. A slit is provided at a position where the predetermined beam is sufficiently narrowed in the x direction. Beams of other mass hit the plate surface of the slit and cannot pass through the hole. Since the reference arc R is linearly extended, the positions of the beam on the inlet side and the outlet side in the x direction are reversed. Magnet inlet z =
The beam at x = 20 cm at 30 cm has an exit z = 1.
At 60 cm it is at x = -20 cm. Beam is z = 10
Since it converges once around the 0 cm slit, mass spectrometry is possible.
【符号の説明】 1 イオン源 2 質量分析磁石の入口 3 質量分析磁石 4 スリット 5 質量分析磁石の出口 6 イオンビーム 7 真空経路 8 ウェファ 9 位置検出装置[Explanation of symbols] 1 ion source 2 Mass analysis magnet inlet 3 Mass analysis magnet 4 slits 5 Mass analysis magnet outlet 6 ion beam 7 Vacuum path 8 wafers 9 Position detection device
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−342639(JP,A) 特開 平10−283977(JP,A) 特開 平9−129173(JP,A) 特開 昭55−104800(JP,A) 特開 平7−37536(JP,A) 特開 平6−162977(JP,A) 特開 平4−209460(JP,A) 特開 昭50−797(JP,A) 特開 平8−124515(JP,A) 特開 平4−253149(JP,A) 特開 昭59−54161(JP,A) 特表 平11−500573(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01J 37/05 H01J 37/09 H01J 37/317 H01L 21/265 603 ─────────────────────────────────────────────────── --Continued from the front page (56) References JP-A-6-342639 (JP, A) JP-A-10-283977 (JP, A) JP-A-9-129173 (JP, A) JP-A-55- 104800 (JP, A) JP 7-37536 (JP, A) JP 6-162977 (JP, A) JP 4-209460 (JP, A) JP 50-797 (JP, A) JP-A-8-124515 (JP, A) JP-A-4-253149 (JP, A) JP-A-59-54161 (JP, A) JP-A-11-500573 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01J 37/05 H01J 37/09 H01J 37/317 H01L 21/265 603
Claims (2)
い横長のイオンビームを引き出すイオン源と、扇形の中
心角Θj、ビームと直角方向の磁場の傾きを与えるNj
値、同じ方向の磁場の曲率を与えるεjをパラメータと
し、横長ビームを水平方向に曲げ質量分析するため円弧
軌跡に沿って連続して設けられる複数の扇形磁石M1、
Mj…、Mmと、扇形磁石のほぼ中央部に設けられ必要
なイオンビームだけを通すスリットと、ビームに対して
対象物を保持しビームの幅方向と直交する方向に移動さ
せる試料支持機構とからなる事を特徴とするイオン注入
装置。1. An ion source for extracting a laterally long ion beam having a horizontal width larger than the lateral width of an object, a central angle Θj of a sector, and Nj giving a gradient of a magnetic field in a direction perpendicular to the beam.
A plurality of sector-shaped magnets M1 continuously provided along an arc locus for mass analysis by bending a laterally long beam in a horizontal direction using εj as a parameter, which gives a curvature of a magnetic field in the same direction.
Mj ..., Mm, a slit provided in the substantially central portion of the sector magnet for passing only a necessary ion beam, and a sample support mechanism for holding an object with respect to the beam and moving it in a direction orthogonal to the width direction of the beam. Ion implanter characterized by
らなるヨークと、ヨークの周りに設けられる二重極磁場
を生ずるダイポールコイルと、四重極磁場を生ずるクァ
ドラポ−ルコイルと、六重極磁場を生ずるセクタポール
コイルとよりなり、ダイポールコイル、クァドラポ−ル
コイル、セクタポールコイル電流は独立に制御でき、扇
形磁石の0次磁場成分、一次磁場成分、二次磁場成分の
大きさを独立に調整できるようにしてある事を特徴とす
る請求項1に記載のイオン注入装置。2. Each of the sector magnets Mj comprises a yoke made of a ferromagnetic material, a dipole coil provided around the yoke for generating a dipole magnetic field, a quadrupole coil for generating a quadrupole magnetic field, and a hexapole. It consists of a sector pole coil that produces a polar magnetic field, and the dipole coil, quadrupole coil, and sector pole coil currents can be controlled independently, and the magnitudes of the zero-order magnetic field component, the primary magnetic field component, and the secondary magnetic field component of the sector magnet can be controlled independently. The ion implanter according to claim 1, wherein the ion implanter is adjustable.
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