JP6296529B2 - Ion implanter - Google Patents

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Description

本発明は、いわゆるミニマルファブ生産システムに用いられるイオン注入装置に関する。   The present invention relates to an ion implantation apparatus used in a so-called minimal fab production system.

現在、半導体デバイスなどの製造システムとして、0.5インチサイズ(ハーフインチサイズ。正確には、直径12.5mm)のウェハに1個のデバイスを作成することを基本とし、そのために製造工程を複数の可搬性の単位処理装置で構成して、それら単位処理装置をフローショップやジョブショップ等に再配置することを容易にすることで、少量生産でかつ多品種生産に適切に対応することができるようにするミニマルファブ生産システムが本出願人より提案されている。(特許文献1)
現状の半導体製造システムは、ウェハの大口径化(12インチ〜)に伴い、装置自体が大型化・高コスト化し、最新の半導体工場(メガファブ生産システム)を立ち上げるには3000〜5000億円もの巨額の投資資金が必要であるとされている。また、大口径のウェハを用いるシステムは大量生産には効率的であるが、その装置を多品種少量生産に向けて稼働すると、稼働率等の課題から、ユーザが必要とする個数の1個あたりの製造コストが非常に高くなってしまう。
これに対し、このミニマルファブ生産システムでは、0.5インチ程度の極めて小径のウェハが処理対象であり、現状の半導体製造システムに比べ1/1000程度の極めて小さな設備投資額で済むと期待されており、また運転コストが低いなどのため多品種少量生産に適した生産システムとなることが期待されている。
Currently, as a manufacturing system for semiconductor devices, etc., it is basically based on the production of one device on a 0.5 inch size (half inch size, to be precise, 12.5 mm diameter) wafer. It is possible to respond appropriately to small-volume production and multi-product production by making it easy to relocate these unit processing devices to a flow shop, job shop, etc. A minimal fab production system has been proposed by the present applicant. (Patent Document 1)
The current semiconductor manufacturing system is 300 to 500 billion yen to start up the latest semiconductor factory (mega fab production system) with the larger and higher cost of the equipment itself as the wafer diameter increases (from 12 inches) It is said that huge investment funds are required. In addition, a system using a large-diameter wafer is efficient for mass production. However, if the device is operated for high-mix low-volume production, the number of pieces required by the user is limited due to problems such as availability. The manufacturing cost will be very high.
On the other hand, in this minimal fab production system, wafers with a very small diameter of about 0.5 inches are processed, and it is expected that a very small capital investment of about 1/1000 compared with the current semiconductor manufacturing system is required. In addition, it is expected to be a production system suitable for high-mix low-volume production due to low operating costs.

このミニマルファブ生産システムでは、外形形状が規格化された単位処理装置が用いられる。
この単位処理装置は、半導体製造装置の処理工程における個々の処理(特許文献1では、これを「単一処理」と定義している。)の一つを担うものであり、例えばウェハ洗浄装置であり、レジスト塗布装置であり、ウェハ露光装置であり、現像装置であり、またイオン注入装置であったりする。そして、これらの単位処理装置が半導体製造のレシピ順(処理フロー順)に並べられる。ワークであるウェハは、並べられたそれら単位処理装置間を順に搬送され、各単位処理装置において該当する処理が順に施されるのである。
In this minimal fab production system, a unit processing device whose outer shape is standardized is used.
This unit processing apparatus is responsible for one of the individual processes in the processing process of the semiconductor manufacturing apparatus (in Patent Document 1, this is defined as “single process”). Yes, it is a resist coating device, a wafer exposure device, a developing device, and an ion implantation device. These unit processing devices are arranged in a semiconductor manufacturing recipe order (processing flow order). Wafers, which are workpieces, are sequentially conveyed between the unit processing apparatuses arranged in order, and the corresponding processing is sequentially performed in each unit processing apparatus.

したがって、この単位処理装置は、レシピが変更されるたびにそのレシピに合わせて配置位置を自在にアレンジすることが可能なように、しかも、配置を変更した際に予め作業フロア上の規定の位置に規則正しく並置された供給系や排水系、給電系等と接続が可能なように、人が運べる程度の可搬式でかつ規格化された大きさとされている。
この単位処理装置の大きさは、幅 0.30m × 奥行0.45m× 高さ 1.44mの外形寸法とされており、それ自体極めて小さいばかりか、半導体製造レシピに従って60個並べたとしても、その占有床面積は、既存の12インチの半導体製造装置と比較して小さいものとされている。
Therefore, this unit processing device can be arranged freely according to the recipe every time the recipe is changed, and is also set in advance on the work floor when the arrangement is changed. It is portable and standardized so that it can be transported by people so that it can be connected to regularly arranged juxtaposed supply systems, drainage systems, and power supply systems.
The size of this unit processing unit is 0.30m width x 0.45m depth x 1.44m height, and it is not only small in size, but even if 60 units are arranged according to the semiconductor manufacturing recipe, its occupied floor The area is small compared to existing 12-inch semiconductor manufacturing equipment.

また、このミニマルファブ生産システムのもう1つの特徴は、ワークであるウェハが、外気から遮断された独自の密閉搬送システムによって、単位処理装置間を搬送される生産システムとされていることである。したがって、それぞれの単位処理装置内の所定の処理空間のみが、外気と遮断された必要な処理雰囲気、例えば、クリーンルーム空間や真空状態空間などとされていることで十分であり、単位処理装置自体をクリーンルーム内に配置する必要が無い。これは、半導体処理装置自体が巨大なクリーンルーム内に配置されている既存の半導体製造システムとは、基本的に異なる点である。
したがって、このミニマルファブ生産システムでは、装置をクリーンルーム内に配置する必要がないので、作業員はクリーンルーム内での作業を強いられることなく、通常の作業環境の中で作業することができる。また巨大なクリーンルーム空間を作る必要がないので、省エネルギーともなっている。
このように、ミニマルファブ生産システムは、従来装置を単に小型にしただけの生産システムではなく、革新的な次世代生産システムとして注目されている。
Another feature of the minimal fab production system is that the wafer, which is a workpiece, is transported between unit processing apparatuses by a unique hermetic transfer system that is cut off from the outside air. Therefore, it is sufficient that only a predetermined processing space in each unit processing apparatus is a necessary processing atmosphere that is blocked from outside air, for example, a clean room space or a vacuum state space. There is no need to place it in a clean room. This is fundamentally different from the existing semiconductor manufacturing system in which the semiconductor processing apparatus itself is arranged in a huge clean room.
Therefore, in this minimal fab production system, it is not necessary to arrange the apparatus in the clean room, so that the worker can work in a normal working environment without being forced to work in the clean room. It also saves energy as there is no need to create a huge clean room space.
As described above, the minimal fab production system is attracting attention as an innovative next-generation production system, not a production system in which a conventional apparatus is simply reduced in size.

現在の半導体製造システムでは、イオン注入装置は必要不可欠な装置である。
しかし、既存のイオン注入装置は、イオンビームの発生やその制御に高電圧や強い磁場を用いているため、ウェハサイズに関係なく装置が大型となることを免れない。
実際、研究開発用の比較的小型の装置であっても、その大きさは数m以上有り、製造ラインに組み込まれている大口径ウェハ用のものはさらに大型である。代表的な中電流型イオン注入装置であっても、本体だけで3m×7m以上の床面積を占め、価格は10億円程で、更に多くの付帯設備を必要としている。このように、既存のイオン注入装置は、ミニマルファブ生産システムに組み込むには、あまりにも大きくかつ高価である。
In the current semiconductor manufacturing system, an ion implantation apparatus is an indispensable apparatus.
However, since the existing ion implantation apparatus uses a high voltage or a strong magnetic field for generation and control of the ion beam, the apparatus is inevitable to be large regardless of the wafer size.
In fact, even a relatively small device for research and development has a size of several meters or more, and a device for a large-diameter wafer incorporated in a production line is larger. Even a typical medium-current ion implantation apparatus occupies a floor area of 3 m × 7 m or more with a main body alone, and the price is about 1 billion yen, and more auxiliary facilities are required. Thus, existing ion implanters are too large and expensive to be incorporated into a minimal fab production system.

このような既存のイオン注入装置の例を図1に示す。
まず、ガス供給系2からの原料ガスをイオン源3によりイオン化する。イオン源3は引出電極4対して正電位にバイアスされており、イオン化されたイオンは、イオン源3と引出電極4との間に印加された10〜100kVの加速電圧によりビームとして引き出され(前段加速器)、質量分離器8に入射される。
質量分離器8は特定の質量を持ったイオン種を分離するためのもので、イオン源3から出射した複数のイオン種を含んだイオンビームのうち、ウェハ(ターゲット12)に注入すべき特定のイオン種のみを選択する。ここで選択されたイオンビームは、後段加速器9により所定の注入エネルギーとなるように加速(または減速)される。この後段加速は、イオン源3から質量分離器8までのビームラインおよびその付帯設備を高電圧架台1上に配置し、この高電圧架台1全体を後段加速用高電圧電源5により接地電位に対して正の高電圧にバイアスすることによって行う。
注入エネルギーは、ウェハ(ターゲット12)内でどのような深さまでイオンの注入が必要かによって異なるが、例えば一般的なCMOSプロセスでは最大で〜200keV程度の高エネルギーのイオンビームを必要とする。このような高電圧加速にも対応するため、高電圧架台1は200kV以上の耐電圧を確保できるように絶縁される。また、イオン源3や質量分離器8等への電源供給は、入力―出力間に200kV以上の絶縁耐性を有する絶縁トランス6を介して行われる。
An example of such an existing ion implantation apparatus is shown in FIG.
First, the source gas from the gas supply system 2 is ionized by the ion source 3. The ion source 3 is biased at a positive potential with respect to the extraction electrode 4, and the ionized ions are extracted as a beam by an acceleration voltage of 10 to 100 kV applied between the ion source 3 and the extraction electrode 4 (previous stage). Accelerator) and the mass separator 8.
The mass separator 8 is for separating ion species having a specific mass, and among the ion beams including a plurality of ion species emitted from the ion source 3, a specific ion to be implanted into the wafer (target 12). Select only ionic species. The ion beam selected here is accelerated (or decelerated) by the post accelerator 9 so as to have a predetermined implantation energy. In this latter stage acceleration, the beam line from the ion source 3 to the mass separator 8 and its incidental facilities are arranged on the high voltage gantry 1 and the entire high voltage gantry 1 is connected to the ground potential by the accelerating power source 5 for the latter stage acceleration. By biasing it to a positive high voltage.
The implantation energy differs depending on the depth of ion implantation required in the wafer (target 12). For example, in a general CMOS process, a high energy ion beam of up to about 200 keV is required. In order to cope with such high-voltage acceleration, the high-voltage mount 1 is insulated so as to ensure a withstand voltage of 200 kV or higher. Further, power is supplied to the ion source 3, the mass separator 8, and the like through an insulating transformer 6 having an insulation resistance of 200 kV or more between input and output.

このように加速されたイオンビームは、ウェハ(ターゲット12)の全面をスキャニングするため、電場や磁場を印加するXY偏向器10によってXY方向に偏向される。
このような既存のイオン注入装置は、図1にも示すように全長が7m以上にもなる大型の装置である。
The ion beam thus accelerated is deflected in the XY direction by the XY deflector 10 that applies an electric field or a magnetic field in order to scan the entire surface of the wafer (target 12).
Such an existing ion implantation apparatus is a large apparatus having a total length of 7 m or more as shown in FIG.

特開平2012−54414公報JP 2012-54414 A

既存のイオン注入装置がこのように大型である要因(ビーム長が長い要因)をまとめると、およそ次のとおりである。
(1)高電圧の絶縁のための空間が必要。
既存の装置構成では、イオン源3から加速管9まで、質量分離器8を含む多くの主要部品が100kV以上の高電圧になる。このため、これらを設置した高電圧架台1を絶縁するための空間、距離が必要であり、大気中では接地電位の装置外壁との間に30cm以上の空間をとる必要がある。
The factors that cause the existing ion implantation apparatus to be so large (factors having a long beam length) are summarized as follows.
(1) A space for high voltage insulation is required.
In the existing apparatus configuration, many main components including the mass separator 8 from the ion source 3 to the acceleration tube 9 have a high voltage of 100 kV or more. For this reason, a space and a distance are required to insulate the high-voltage gantry 1 on which these are installed, and in the atmosphere, it is necessary to provide a space of 30 cm or more between the outer wall of the ground potential device.

(2)大型の絶縁トランス6が必要。
高電圧架台1にあるイオン源3、質量分離器8等に必要な電力を供給するため、耐電圧の高い絶縁トランス6が必要となる。これは通常1m以上と大型であり、さらに高耐電圧、大電力であるほど大型となる。また、高電圧部に置かれたイオン源3、イオン源ガス供給系2、質量分離器8等の制御を行うには、光ファイバーあるいは制御棒などの制御方式を用いる必要があり、装置が複雑になる。
(2) A large insulation transformer 6 is required.
In order to supply necessary power to the ion source 3, the mass separator 8 and the like on the high voltage gantry 1, an insulating transformer 6 having a high withstand voltage is required. This is usually a large size of 1 m or more, and the larger the higher the withstand voltage and the higher power, the larger the size. Further, in order to control the ion source 3, the ion source gas supply system 2, the mass separator 8 and the like placed in the high voltage section, it is necessary to use a control system such as an optical fiber or a control rod, and the apparatus is complicated. Become.

(3)質量分離器8が大型。
既存の大型装置では、大口径ウェハに対応するためmA程度の大電流イオンビームが用いられているが、この場合前段加速エネルギーは最低でも10keV以上であり、数keV以下の低エネルギー領域でのビーム輸送は行われない。これは低エネルギーの大電流イオンはイオン密度が高く、接近したイオンどうしの電荷の反発によりビームが発散しやすいため(これを空間電荷効果という。)、数m以上のビームラインを形成しようとしてもイオンビームが途中で発散してすぐに無くなってしまうからである。そのため、通常は30keV以上の高エネルギーでのビーム輸送が行われており、これに伴い質量分離器等、全てのコンポーネントが巨大化している。
質量分離は磁場による偏向により行われるが、通常1m以上の電磁石が用いられる。このように電磁石が大型になる理由は、前述のようにイオン引出、輸送エネルギーが30keV以上と高いので、磁場中のイオンビームの曲率半径を小さくできないためである。また、様々なイオン種の注入を行う装置では、コンタミネーションを防ぐために高い質量分解能(△m/q < 1)を必要とすることも質量分離器8を大型にしている理由である。
(3) The mass separator 8 is large.
In the existing large-scale apparatus, a large current ion beam of about mA is used to cope with a large-diameter wafer. In this case, the pre-stage acceleration energy is at least 10 keV or more and a beam in a low energy region of several keV or less. There is no transportation. This is because low-energy high-current ions have high ion density, and the beam tends to diverge due to charge repulsion between adjacent ions (this is called the space charge effect). This is because the ion beam diverges and disappears immediately. For this reason, beam transport with high energy of 30 keV or higher is usually performed, and all components such as mass separators are becoming enormous.
Mass separation is performed by deflection by a magnetic field, but usually an electromagnet of 1 m or more is used. The reason why the electromagnet becomes large in this way is that the ion extraction and transport energy is as high as 30 keV or more as described above, and therefore the radius of curvature of the ion beam in the magnetic field cannot be reduced. Another reason for the large size of the mass separator 8 is that an apparatus for implanting various ion species requires a high mass resolution (Δm / q <1) to prevent contamination.

(4)イオン源3の大型化。
ウェハ大口径化に伴い大電流イオンビームが必要となり、そのためイオン源3も大型化している。
(4) Increase in size of the ion source 3.
As the diameter of the wafer increases, a large current ion beam is required, so that the ion source 3 is also enlarged.

(5)XY走査のために長いビームパスが必要。
ウェハの全面に均一にイオンを注入するために、加速後にイオンビームのXY走査が行われる。イオンは後段加速後でエネルギーが高いために電場や磁場で曲がりにくい。そのために大口径ウェハ全面にビームを走査するためにはウェハまで長いビームパスをとる必要がある。
(5) A long beam path is required for XY scanning.
In order to inject ions uniformly over the entire surface of the wafer, XY scanning of the ion beam is performed after acceleration. Since ions have high energy after subsequent acceleration, they are difficult to bend in an electric or magnetic field. Therefore, in order to scan the beam over the entire large-diameter wafer, it is necessary to take a long beam path to the wafer.

(6)ウェハ搬送機構が巨大化。
ウェハが大口径化したため、ウェハ導入、搬送ロボット等がウェハサイズに応じて大型化している。
以上の要因のうち、(4)〜(6)はウェハサイズが縮小すると小型化できることが予測されるが、その他は、イオン偏向の曲率半径や高電圧の絶縁耐性などの物理法則によって寸法が決まるので、ウェハサイズには無関係である。
(6) Large wafer transfer mechanism.
Since the diameter of the wafer has increased, wafer introduction, transfer robots, and the like have increased in size according to the wafer size.
Among the above factors, (4) to (6) are expected to be miniaturized when the wafer size is reduced, but other dimensions are determined by physical laws such as the radius of curvature of ion deflection and high voltage insulation resistance. Therefore, it is irrelevant to the wafer size.

以上で説明したように、ミニマルファブ生産システムで規格化された単位処理装置のサイズは幅 0.30m × 奥行0.45m× 高さ 1.44mであり、これは既存のイオン注入機で使われる質量分離器や絶縁のための空間の大きさよりも小さい。すなわち、既存のイオン注入方式では、ミニマルファブ生産システムに組み込む単位処理装置のサイズを実現することは不可能である。   As explained above, the size of the unit processing equipment standardized in the minimal fab production system is 0.30m wide x 0.45m deep x 1.44m high, which is the mass separator used in existing ion implanters. Or smaller than the size of the space for insulation. That is, with the existing ion implantation method, it is impossible to realize the size of the unit processing apparatus incorporated in the minimal fab production system.

本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、このようなミニマルファブ生産システムに組み込むことができる極めて小型のイオン注入装置を提供しようとするものである。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide an extremely small ion implantation apparatus that can be incorporated into such a minimal fab production system.

上記目的を達成するために、本発明は、
ハーフインチサイズのウェハを載置するウェハステージと1種類のイオン源ガスからイオンを発生させるイオン発生器と、前記イオン発生器からイオンを引き出す前段加速器と、前記前段加速器によって引き出されたイオンビームを質量分離する質量分離器と、前記質量分離器により選択したイオンビームをXY方向にスキャンするXY偏向器と、前記XY偏向器によってスキャンされたイオンビームを前記ウェハまで加速する後段加速器と、それらを収納するビームライン真空容器と、を有し、前記質量分離を、永久磁石を用いた磁場と、該磁場と直交する電場の制御とにより行い、
前記イオン発生器から前記XY偏向器までのイオンビーム制御を、5keV以下の低エネルギー領域で行うとともに、前記後段加速器によるイオンビーム制御を、前記ビームライン真空容器を接地電位とし、前記ウェハに印加する負の高電圧で行うことを特徴とするイオン注入装置とした。
ここで、「単位処理装置」とは、前述の従来例と同様、半導体製造装置の処理工程における個々の処理の一つ(つまり、レシピのなかの1つの処理)を担うもの、として定義する。
In order to achieve the above object, the present invention provides:
A wafer stage on which a half-inch wafer is placed, an ion generator that generates ions from one kind of ion source gas , a pre-stage accelerator that extracts ions from the ion generator, and an ion beam extracted by the pre-stage accelerator a mass separator for mass separation, the XY deflector for scanning the ion beam selected by the mass separator in the XY direction, and the post-accelerator for accelerating a scanned ion beam to the wafer by the XY deflector, its A beamline vacuum vessel for storing them, and performing the mass separation by controlling a magnetic field using a permanent magnet and an electric field orthogonal to the magnetic field,
The ion beam control from the ion generator to the XY deflector is performed in a low energy region of 5 keV or less, and the ion beam control by the post-accelerator is applied to the wafer with the beamline vacuum vessel at the ground potential. The ion implantation apparatus is characterized in that it is performed at a negative high voltage.
Here, the “unit processing apparatus” is defined as one responsible for one of individual processes (that is, one process in the recipe) in the process of the semiconductor manufacturing apparatus, as in the above-described conventional example.

このように構成された本発明によれば、イオン発生器から質量分離器までのイオンビーム制御を低エネルギー領域で行うので、永久磁石を用いた電場・磁場直交(ExB)型ウィーンフィルターを用いることができ、質量分離器を小型化できる。
また、低エネルギー領域での制御が行われることから電場や磁場で曲がりやすいので、XY偏向器でのビームスキャンをより短いビームパスで行うことができる。
また、印加する電圧が数kV程度であることから、ビームライン真空容器内部の部品の絶縁が数mm程度で済むので、ビームライン真空容器内部に配置されるコンポーネントの小型化が可能となる。
さらに、ビーム輸送エネルギーが低いので、集束レンズやXY偏向などのビーム制御に必要な電圧も低くでき、そのための制御電源を小さくすることができる。
According to the present invention configured as described above, since the ion beam control from the ion generator to the mass separator is performed in a low energy region, an electric field / magnetic field orthogonal (ExB) type Wien filter using a permanent magnet is used. The mass separator can be downsized.
Further, since the control is performed in the low energy region, it is easy to bend by an electric field or a magnetic field, so that the beam scan with the XY deflector can be performed with a shorter beam path.
In addition, since the voltage to be applied is about several kV, the insulation of the components inside the beamline vacuum vessel is only about a few millimeters, so the components arranged inside the beamline vacuum vessel can be downsized.
Furthermore, since the beam transport energy is low, the voltage required for beam control such as a focusing lens and XY deflection can be reduced, and the control power supply for that purpose can be reduced.

また、イオン発生器側を接地電位とし、ターゲットとなるウェハステージのみを高電圧とすることにより、高電圧の絶縁に必要な空間距離を極めて短くすることができる。
また、イオン発生器、ビームラインのコンポーネント、注入チェンバー等、大気側の部品を全て接地電位とすることができるので、単位処理装置筐体に対し密接して設置が可能となり、狭い筐体内であっても設置が可能となる。また大型の絶縁トランスや光通信機器等が不要になり、装置全体を小型化、低コスト化ができる。
Further, by setting the ion generator side to the ground potential and setting only the target wafer stage to a high voltage, the spatial distance required for high voltage insulation can be extremely shortened.
In addition, since all atmospheric components such as ion generators, beam line components, and injection chambers can be set to ground potential, they can be installed in close proximity to the unit processing unit case, and the inside of the narrow case is limited. Even installation is possible. In addition, a large insulation transformer, optical communication equipment, and the like are not required, and the entire apparatus can be reduced in size and cost.

また本発明は、イオン発生器からの引出し及びビーム収束、質量分離、XY偏向までのビーム輸送および制御をいずれも5keV以下、より望ましくは2keV以下の低エネルギー領域で行い、最後にターゲットとなるウェハに印加した電圧で後段加速を行うことにより注入エネルギー・注入深さを制御するので、後段加速段階においてイオンの減速の必要がなく、そのため、エネルギーコンタミネーションの心配がない。
また、イオン発生器からウェハまでのビームライン長さを極力短く、望ましくは0.5m以下とし、ビーム電流も〜μAと少ないことから、ビームの空間電荷効果は無視できるレベルであり、殆ど損失のない状態でイオンビームをウェハまで輸送することができる。また本発明は、単位処理装置を、1台につき1種類のイオン源ガスの使用だけに限定した単機能とする。更に、ミニマルファブ生産システムの量産ライン用の装置では、注入条件(イオン種、注入エネルギー)毎に専用に最適化された単機能のイオン注入装置とする。これにより、装置を一層小型化でき、安価にできるので、ミニマルファブ生産システムに好適なイオン注入装置とすることができる。
Further, the present invention performs extraction from the ion generator and beam convergence, mass separation, beam transport and control until XY deflection in a low energy region of 5 keV or less, more desirably 2 keV or less, and finally a target wafer Since the implantation energy and the implantation depth are controlled by performing the post-stage acceleration with the voltage applied to, there is no need to decelerate the ions in the post-stage acceleration stage, and therefore there is no concern about energy contamination.
In addition, the beam line length from the ion generator to the wafer is as short as possible, desirably 0.5 m or less, and the beam current is as small as ~ μA, so that the space charge effect of the beam is negligible and almost no loss. In this state, the ion beam can be transported to the wafer. In the present invention, the unit processing apparatus has a single function limited to the use of one kind of ion source gas per unit. Furthermore, in the apparatus for the mass production line of the minimal fab production system, a single-function ion implantation apparatus optimized for each implantation condition (ion species, implantation energy) is used. As a result, the apparatus can be further reduced in size and can be manufactured at a low cost, so that an ion implantation apparatus suitable for a minimal fab production system can be obtained.

このように構成したことにより、本発明によるイオン注入装置は、イオン発生器からウェハまでのビームラインの長さを従来装置に比べて極めて短くすることができ、各構成部品を装置筐体に対して密接して配置することができるとともに、制御系も小型にできるので、ミニマルファブ生産システムにおける単位処理装置内に容易に組み込むことができる。   With this configuration, the ion implantation apparatus according to the present invention can significantly shorten the length of the beam line from the ion generator to the wafer as compared with the conventional apparatus, and each component can be attached to the apparatus housing. Since the control system can be miniaturized, the control system can be easily incorporated into the unit processing apparatus in the minimal fab production system.

本発明によれば、イオン注入装置におけるイオン発生器からターゲットとなるウェハまでのビームライン長さを従来装置に比べて極めて短くすることができる等から、ミニマルファブ生産システムに好適なイオン注入装置を提供することができる。   According to the present invention, since the beam line length from the ion generator to the target wafer in the ion implantation apparatus can be extremely shortened compared to the conventional apparatus, an ion implantation apparatus suitable for a minimal fab production system is provided. Can be provided.

既存のイオン注入装置の説明図。Explanatory drawing of the existing ion implantation apparatus. 本発明の実施の形態例に係るイオン注入装置の説明図。Explanatory drawing of the ion implantation apparatus which concerns on the embodiment of this invention. 本発明の実施の形態例に係る後段加速器側の形態例。The form example by the side of the back | latter stage accelerator which concerns on the embodiment of this invention. 本発明の実施の形態例に係る後段加速器側の別の形態例。The another example of the back | latter stage accelerator side which concerns on the embodiment of this invention. 本発明の実施の形態例に係るイオン注入装置を組み込んだ単位処理装置の説明図。Explanatory drawing of the unit processing apparatus incorporating the ion implantation apparatus which concerns on the embodiment of this invention. 本発明の実施の形態例に係るExB型質量分離器によるアルゴンイオンビーム質量分離スペクトル分布図。The argon ion beam mass separation spectrum distribution map by the ExB type mass separator which concerns on the example of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態例に係るイオン注入装置の外観斜視図。1 is an external perspective view of an ion implantation apparatus according to an embodiment of the present invention. 必要とされるイオン注入条件の説明図Illustration of required ion implantation conditions

以下、本発明の実施の形態例を、図面を参照して説明する。
図5は、本発明の実施の形態例に係るイオン注入装置Sを組み込んだミニマルファブ生産システム用の単位処理装置Mの説明図(装置の側面側から内部を透視した図面)である。図7は、その斜視図である。
この単位処理装置Mは、前述したミニマルファブ生産システムにおけると同じ、外形が、幅(x) 0.30m × 奥行(y)0.45m× 高さ(z )1.44mとされており、その内部にイオン注入装置Sが配置されている。
単位処理装置Mは、イオン注入装置Sのビームライン等を収納する本体部Maと、真空ポンプ37や制御装置38等を収納する制御収納部Mbとを有している。また、単位処理装置Mの前部は、ウェハを単位処理装置本体部Ma内部へ搬送するための前室Mcとされている。なお、この前室Mcは、全ての単位処理装置Mに共通なものとして構成されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 5 is an explanatory view of a unit processing apparatus M for a minimal fab production system in which an ion implantation apparatus S according to an embodiment of the present invention is incorporated (a view seen through from the side of the apparatus). FIG. 7 is a perspective view thereof.
This unit processing device M has the same outer shape as the above-described minimal fab production system, and has a width (x) 0.30 m × depth (y) 0.45 m × height (z) 1.44 m. An injection device S is arranged.
The unit processing device M has a main body portion Ma for storing the beam line and the like of the ion implantation device S, and a control storage portion Mb for storing the vacuum pump 37, the control device 38, and the like. The front portion of the unit processing apparatus M is a front chamber Mc for transporting the wafer into the unit processing apparatus main body Ma. The front chamber Mc is configured to be common to all the unit processing apparatuses M.

<ウェハ搬送系>
イオン注入装置Sで処理されるためのウェハ(ターゲット)33は、ウェハ収納用のシャトル(図示せず)内に1枚ずつ収納されて、単位処理装置Mへ搬送される。該シャトルは、0.5インチ径(ハーフインチサイズ。正確には直径12.5mm)の1枚のウェハが、外気から遮断された状態で収納されるように構成されている。
<Wafer transfer system>
Wafers (targets) 33 to be processed by the ion implantation apparatus S are stored one by one in a wafer storage shuttle (not shown) and transferred to the unit processing apparatus M. The shuttle is configured so that a single wafer having a diameter of 0.5 inch (half inch size, precisely 12.5 mm in diameter) is stored in a state of being shielded from the outside air.

前室Mcの上部には、前室Mcとシャトルとを接続するドッキングポート42が設けられている。前室Mc内部には、ドッキングポート42に接続するウェハ搬送用空間39が設けられており、該ウェハ搬送用空間39は高真空ポンプ36’により高真空状態とすることができるように構成されている。また、該ウェハ搬送用空間39とイオン注入装置Sの処理室44との間には、気密用のゲートバルブ43が設けられている。さらに、該ウェハ搬送用空間39には、ドッキングポート42上のシャトル内のウェハ33を外気と遮断した状態で取り出し、取り出したウェハ33を、開扉したゲートバルブ43を通過させてウェハステージ34まで搬送する真空搬送機構(図示せず)が設けられている。
さらに、前室Mcの上方には、ディスプレイ式の操作パネル41が設けられている。
A docking port 42 that connects the front chamber Mc and the shuttle is provided in the upper portion of the front chamber Mc. A wafer transfer space 39 connected to the docking port 42 is provided inside the front chamber Mc, and the wafer transfer space 39 is configured to be in a high vacuum state by a high vacuum pump 36 ′. Yes. An airtight gate valve 43 is provided between the wafer transfer space 39 and the processing chamber 44 of the ion implantation apparatus S. Further, in the wafer transfer space 39, the wafer 33 in the shuttle on the docking port 42 is taken out in a state of being shut off from the outside air, and the taken out wafer 33 is passed through the gate valve 43 opened to the wafer stage 34. A vacuum transfer mechanism (not shown) for transferring is provided.
Further, a display type operation panel 41 is provided above the front chamber Mc.

このように、このミニマルファブ生産システムには、シャトルや前室Mc内の真空搬送機構等からなる、微粒子とガス分子を外界から原理的に完全遮断する密閉型搬送機構(Particle-Lock Airtight Docking: PLAD システム)が設けられている。
ターゲットとしてのウェハ33は、該 PLADシステムによって、別の単位処理装置からシャトルを介してイオン注入装置Sの処理室44内のウェハステージ34上へ搬入される。そして、ウェハステージ34上でイオン注入処理されたウェハ33は、同じく該PLADシステムによって、ドッキングポート42上のシャトル内へ搬出される(戻される)。
As described above, this minimal fab production system includes a closed-type transport mechanism (Particle-Lock Airtight Docking: which consists of a shuttle, a vacuum transport mechanism in the front chamber Mc, etc., which completely blocks fine particles and gas molecules from the outside world in principle. PLAD system).
The wafer 33 as a target is carried by the PLAD system from another unit processing apparatus onto the wafer stage 34 in the processing chamber 44 of the ion implantation apparatus S via a shuttle. The wafer 33 ion-implanted on the wafer stage 34 is carried out (returned) into the shuttle on the docking port 42 by the PLAD system.

<ガス供給系>
イオン注入用の原料ガス(イオン源ガス)の供給は、装置内に設置した小型のガスボンベ21からガス流量調整バルブ22を介して行われる。半導体作成に必要とされるボロン、リン、ヒ素の注入には、ソースガスとしてBF3, PH3, AsH3のセーフ・デリバリー・ソース(SDS)を使用する。
ここで重要なことは、ミニマルファブ生産システム用の単位処理装置Mでは、1台の単位処理装置Mにつき使用するイオン源ガスを1種類とすることである。つまり、従来型装置のように複数のイオン源ガスを切り替えて使用する構成を有していない。ボロン用のイオン注入装置、リン用のイオン注入装置、あるいはヒ素用のイオン注入装置が、それぞれ別々の単位処理装置Mとして構成される。
複数のイオン種の注入が必要な場合には、各イオン種専用の単位処理装置Mを1台ずつ用意し、順に使用する。ミニマルファブ生産システム用の単位処理装置はいずれも小型、低価格なので、このように複数台の装置を導入しても、従来型装置よりも小型、低コストになる。
<Gas supply system>
The source gas for ion implantation (ion source gas) is supplied from a small gas cylinder 21 installed in the apparatus through a gas flow rate adjusting valve 22. A safe delivery source (SDS) of BF3, PH3, AsH3 is used as a source gas for the implantation of boron, phosphorus, and arsenic required for semiconductor fabrication.
What is important here is that in the unit processing apparatus M for the minimal fab production system, one ion source gas is used for each unit processing apparatus M. In other words, the conventional apparatus does not have a configuration in which a plurality of ion source gases are switched and used. A boron ion implantation apparatus, a phosphorus ion implantation apparatus, or an arsenic ion implantation apparatus is configured as a separate unit processing apparatus M.
When it is necessary to implant a plurality of ion species, one unit processing device M dedicated to each ion species is prepared and used in order. Since the unit processing apparatuses for the minimal fab production system are all small and low in price, even if a plurality of apparatuses are introduced in this way, they are smaller and less expensive than the conventional apparatus.

本発明において、このようにイオン源ガス毎に別々の単位処理装置Mを構成した理由は、以下のとおりである。
(1)従来型のイオン注入装置では、装置自体が高価であるため、1台の装置で様々なイオン種の注入に対応できるように、複数のイオン源ガスを切り替えて使用するガス供給システムが組み込まれている。
しかしながら、このようなガス供給システムは大きなスペースを必要とするので、ミニマルファブ生産システムには導入できない。
(2)複数のイオン源ガスを切り替えて使用すると、イオン発生器内部に使用履歴が残り(イオン発生器内部の構成部品にイオンが打ち込まれ、蓄積される)、イオン源ガスを切り替えてもこれまで使用してきたガス種のイオンが混入して出てくるという問題が生ずる。このコンタミネーションを解消するには、下流側にこれを分離するための分解能の高い質量分離器が必要となる。特に半導体プロセスのイオン注入ではボロン注入用にBF3ガス、リン注入用にPH3ガスが使用されるが、BF3ガス使用時に得られるBF+イオン(m/q=30)とPH3ガス使用時に得られるP+イオン(m/q=31)は質量数で1の違いしかなく、これを分離できる性能が必要となる。
しかし、このような高分解能の質量分離器は、メートル規模の大型の電磁石を使用しなければならず、畢竟、大型となってしまう。
In the present invention, the reason why such a unit processing apparatus M is configured for each ion source gas is as follows.
(1) Since the conventional ion implantation apparatus is expensive, a gas supply system that switches and uses a plurality of ion source gases so that one apparatus can cope with implantation of various ion species. It has been incorporated.
However, since such a gas supply system requires a large space, it cannot be introduced into a minimal fab production system.
(2) When a plurality of ion source gases are switched and used, a use history remains inside the ion generator (the ions are implanted and accumulated in the components inside the ion generator). There arises a problem that ions of the gas species that have been used up to now come out. In order to eliminate this contamination, a mass separator having a high resolution for separating the contamination is required on the downstream side. In particular, semiconductor process ion implantation uses BF3 gas for boron implantation and PH3 gas for phosphorus implantation. BF + ions (m / q = 30) obtained when BF3 gas is used and P + ions obtained when PH3 gas is used (m / q = 31) has only 1 difference in mass number, and it is necessary to have the ability to separate them.
However, such a high-resolution mass separator must use a large electromagnet on the metric scale, which is very large.

図8に、半導体毎(部位毎)に必要とされるイオン注入条件を、イオン注入量(ion/cm2)と注入エネルギー(keV)との関係で示す。このイオン注入条件は、ゲート長を短くすると必要とされる注入エネルギーは左側(注入エネルギーの低い側)にシフトしていく。しかしながら、現在、通常に行われている半導体製造デザインルールでは、図8の線Gに示すように、必要とされる最低注入エネルギーは、いずれにしても5keV程度とされている。
そこで、本発明においては、イオン源―質量分離―XY偏向までのビーム制御、ビーム輸送をこの最低注入エネルギーである5keV以下(望ましくは2keV以下)で行い、これ以上の必要なエネルギーは後段加速によって行うこととした。したがって、従来装置のように、後段加速段階でイオンビームの減速を行う必要がない。
このように低エネルギーでのイオンビームの制御を行うことにより、従来装置で問題となるエネルギーコンタミネーションが起こらない(この詳細は、後述)。また、後段加速段階より上流側のビームラインでは、従来に比べて極めて低いビームエネルギーでの輸送が行われるので、ビームラインを構成する質量分離器やその他の制御機器を極めて小さく構成することが可能となり、ビームライン長も短くすることができる。
FIG. 8 shows the ion implantation conditions required for each semiconductor (each part) by the relationship between the ion implantation amount (ion / cm 2) and the implantation energy (keV). Under this ion implantation condition, if the gate length is shortened, the required implantation energy shifts to the left side (the side where the implantation energy is low). However, at present, according to the semiconductor manufacturing design rule that is normally performed, as shown by the line G in FIG. 8, the required minimum implantation energy is about 5 keV in any case.
Therefore, in the present invention, beam control and beam transport from ion source to mass separation to XY deflection are performed at the minimum implantation energy of 5 keV or less (preferably 2 keV or less), and the necessary energy beyond this is obtained by post-acceleration. I decided to do it. Therefore, unlike the conventional apparatus, it is not necessary to decelerate the ion beam at the subsequent acceleration stage.
By controlling the ion beam with low energy in this way, energy contamination which is a problem in the conventional apparatus does not occur (details will be described later). In addition, the beam line upstream of the post-acceleration stage is transported at a much lower beam energy than before, so the mass separator and other control devices that make up the beam line can be made extremely small. Thus, the beam line length can be shortened.

なお、このエネルギーコンタミネーションの問題について補足説明する。
従来型のイオン注入装置では、ビームライン長が10m程度と長いため、数keV程度の低エネルギーでは、空間電荷による発散の影響でイオンビームを輸送できない。それを避けるためには、数10keV以上の高エネルギーで輸送しなければならず、そうなると、数keV程度の低エネルギー注入を行う場合には、ウェハ直前で減速させなければならない。しかしながら、数10keV以上のエネルギーを持ったイオンが残留ガス分子等と衝突すると、電子を捕獲して中性原子になるので、そのような中性原子は制御することができず、そのまま減速されずにウェハに注入されてしまう。これをエネルギーコンタミネーションという。
これを避けるためには輸送ビームラインを大型の高真空装置で排気し、残留ガス分子を極力減らすあるいはエネルギーコンタミ成分を除去する偏向器等をビームライン内に別途挿入する等の対策をとる必要があるが、装置が更に大型化し、高コストとなるため、ミニマルファブ生産システム用装置では採用できない。
本発明では、輸送中のビーム輸送エネルギー(5keV以下、望ましくは2keV以下)は注入エネルギー以下であるので、中性化したイオンができたとしても注入エネルギー以上となることはないから、エネルギーコンタミネーションの影響を排除できる。またそもそも、ビームライン長が短いので、中性化する確率も非常に小さい。
A supplementary explanation of this problem of energy contamination will be given.
In the conventional ion implantation apparatus, since the beam line length is as long as about 10 m, the ion beam cannot be transported by the influence of divergence due to space charge at a low energy of about several keV. In order to avoid this, it must be transported with a high energy of several tens keV or more, and in this case, when performing a low energy implantation of about several keV, it must be decelerated immediately before the wafer. However, when ions with energy of several tens of keV or more collide with residual gas molecules, etc., they capture electrons and become neutral atoms, so such neutral atoms cannot be controlled and are not decelerated as they are. Is injected into the wafer. This is called energy contamination.
In order to avoid this, it is necessary to take measures such as evacuating the transport beam line with a large high-vacuum device and inserting a deflector or the like in the beam line to reduce residual gas molecules as much as possible or to remove energy contamination components. However, since the device is further increased in size and cost, it cannot be used in a device for a minimal fab production system.
In the present invention, since the beam transport energy during transport (5 keV or less, preferably 2 keV or less) is less than the implantation energy, even if neutralized ions are formed, the energy does not exceed the implantation energy. Can be eliminated. In the first place, since the beam line length is short, the probability of neutralization is very small.

<ビームライン構成および単位処理装置上部>
本実施の形態例では、図5に示すように、イオン発生器23からウェハステージ34までの間には、イオンビームラインに沿って順に、イオン引出電極(前段加速器)40、中性粒子除去器24、差動排気スリット25、集束レンズ26、第1XY偏向電極27、ExB型質量分離器28、質量分離スリット29、第2XY偏向電極30、後段加速前電極31、2次電子抑制電極32を配置する。
ここで、該後段加速前電極31より上流側では、図2に示すように、イオンビーム輸送エネルギーは5keV以下(望ましくは2keV以下)に設定されている。これは、図1に示す従来の前段加速器4(10〜100keV)と比べ極めて低い。このように質量分離器に入射するイオンビーム輸送エネルギーを低くすることで、該質量分離器としてExB型質量分離器28を採用することを可能としている。
さらに、これらイオンビームライン構成を全てビームライン真空容器50の内部に配置することで、イオンビームライン全体をビームライン真空容器50中に収納する。そして、該ビームライン真空容器50は、容器内部に配置された電極等に制御電圧等を導入する電流導入端子以外、全て接地電位とする。
<Beam line configuration and unit processing unit upper part>
In this embodiment, as shown in FIG. 5, between the ion generator 23 and the wafer stage 34, an ion extraction electrode (pre-accelerator) 40, a neutral particle remover are sequentially arranged along the ion beam line. 24, a differential exhaust slit 25, a focusing lens 26, a first XY deflection electrode 27, an ExB type mass separator 28, a mass separation slit 29, a second XY deflection electrode 30, a post-acceleration electrode 31 and a secondary electron suppression electrode 32 are arranged. To do.
Here, as shown in FIG. 2, the ion beam transport energy is set to 5 keV or less (preferably 2 keV or less) on the upstream side of the post-acceleration pre-acceleration electrode 31. This is extremely lower than the conventional front stage accelerator 4 (10 to 100 keV) shown in FIG. Thus, by reducing the ion beam transport energy incident on the mass separator, the ExB type mass separator 28 can be adopted as the mass separator.
Further, by arranging all these ion beam line configurations inside the beam line vacuum vessel 50, the entire ion beam line is accommodated in the beam line vacuum vessel 50. The beam line vacuum vessel 50 is set to the ground potential except for a current introduction terminal for introducing a control voltage or the like to an electrode or the like disposed inside the vessel.

ビームライン真空容器50の下部には、その上部よりも外形を大きくした空間が設けられ、該空間を処理室44としている。該処理室44の水平方向中央にはウェハステージ34が配置されている。該処理室44は、ゲートバルブ43を介して前室Mcのウェハ搬送用空間39と空間的に接続している。
単位処理装置Mの本体部Maには、ビームライン真空容器50、ウェハステージ34に負の高電圧を付加する後段加速用高圧電源35、および処理室44のための高真空ポンプ36が、それぞれ配置されている。
この本体部Maは大気空間となっている。したがって、ビームライン全体を収納するビームライン真空容器50の外側は、大気に接しており、しかも上記したように接地されている。
A space having an outer shape larger than that of the upper portion is provided in the lower portion of the beamline vacuum vessel 50, and this space is used as a processing chamber 44. A wafer stage 34 is disposed in the center in the horizontal direction of the processing chamber 44. The processing chamber 44 is spatially connected to the wafer transfer space 39 in the front chamber Mc via the gate valve 43.
In the main body Ma of the unit processing apparatus M, a beam line vacuum vessel 50, a post-acceleration high-voltage power source 35 for applying a negative high voltage to the wafer stage 34, and a high vacuum pump 36 for the processing chamber 44 are arranged. Has been.
The main body Ma is an atmospheric space. Therefore, the outside of the beamline vacuum vessel 50 that accommodates the entire beamline is in contact with the atmosphere and is grounded as described above.

<排気系および単位処理装置下部>
処理室44を含むイオンビームラインでの真空排気には、排気速度80L/sの小型ターボ分子ポンプ、およびこの背圧側に排気速度50L/minのダイヤフラムポンプを用いている。ビームライン真空容器50内部の全体積が1L程度と非常に小さいので、このような小型の排気システムであってもガス負荷のない状態で10-6Pa程度の真空度が得られる。
<Exhaust system and lower unit processing unit>
For the vacuum evacuation in the ion beam line including the processing chamber 44, a small turbo molecular pump with an exhaust speed of 80 L / s and a diaphragm pump with an exhaust speed of 50 L / min are used on the back pressure side. Since the total volume of the inside of the beamline vacuum vessel 50 is as very small as about 1 L, even such a small exhaust system can obtain a vacuum degree of about 10 −6 Pa without any gas load.

また、イオンビームラインには大気側からウェハを導入するため、前述したように密閉型搬送システム(PLAD)が接続されるので、ウェハ搬送用空間39には、大気側から真空中へのウェハを導入するための高真空ポンプ36’が接続されている。主排気には排気速度10L/sの超小型のターボ分子ポンプを使用しているが、ウェハ搬送用空間39は真空容器体積が非常に小さいので、短時間のうちに10-3Pa台の真空度が得られる。 In addition, since the wafer transfer system (PLAD) is connected to the ion beam line from the atmosphere side as described above, the wafer transfer space 39 receives the wafer from the atmosphere side to the vacuum. A high vacuum pump 36 'for introduction is connected. The main exhaust uses an ultra-small turbo molecular pump with a pumping speed of 10 L / s. However, the volume of the vacuum container in the wafer transfer space 39 is very small, so a vacuum of about 10 −3 Pa in a short time. Degree is obtained.

そして、単位処理装置Mの制御収納部Mbには、高真空ポンプ36、36’を補助するための補助ポンプ37、単位処理装置M全体を制御する制御回路部38、および予めフロア上に並置された供給系や排水系、給電系等と接続するための接続系(図示せず)等が設けられている。   In the control storage unit Mb of the unit processing apparatus M, an auxiliary pump 37 for assisting the high vacuum pumps 36 and 36 ′, a control circuit unit 38 for controlling the entire unit processing apparatus M, and a floor are arranged in advance. A connection system (not shown) for connecting to a supply system, a drainage system, a power supply system, and the like is provided.

<各構成部品の動作>
イオンビームラインを構成する各構成部品について、その動作を配列順に説明する。
イオン発生器23は電子衝撃型であり、通電により加熱したフィラメントからの熱電子を加速してイオン源ガスに当てることにより、イオンを形成する。
このように形成されたイオンは、引出電極(前段加速器)40によって、そのビーム輸送エネルギーが5keV以下(望ましくは2keV以下)になるように引き出される。
中性粒子除去器24は、引き出されたイオンビームから中性粒子を静電偏向によって除去する。
収束レンズ26は、イオン発生器23から引き出されたイオンビームはそのままでは軌道が広がってしまうので、それを所定幅に収束するために用いる。
ここで、イオン発生器23と収束レンズ26の間には、イオン源ガスがイオンビームラインに流れ込むのを最小限に抑えるために差動排気スリット25が設けられる。
<Operation of each component>
The operation of each component constituting the ion beam line will be described in the order of arrangement.
The ion generator 23 is an electron impact type, and ions are formed by accelerating the thermal electrons from the filament heated by energization and applying them to the ion source gas.
The ions thus formed are extracted by an extraction electrode (pre-accelerator) 40 so that the beam transport energy is 5 keV or less (preferably 2 keV or less).
The neutral particle remover 24 removes neutral particles from the extracted ion beam by electrostatic deflection.
The converging lens 26 is used for converging the ion beam extracted from the ion generator 23 to a predetermined width because the trajectory is widened as it is.
Here, a differential exhaust slit 25 is provided between the ion generator 23 and the focusing lens 26 in order to minimize the flow of the ion source gas into the ion beam line.

第1XY偏向電極27は、イオンビーム軌道の微調整、補正のために設けられる。
ExB型質量分離器28は、入射口から投入されたイオンビームから、イオン種の質量に基づいて目的とするイオン種を選別し、選別したイオン種からなるイオンビームのみ出口スリットを通過させる。
第2XY偏向電極30は、周期的に変化する電圧波形が印加され、選別されたイオン種からなるイオンビームを周期的にXY方向に振ることにより、ウェハ33の全面にイオンビームが到達するように制御する。このとき、第2XY偏向電極30に印加される電圧波形はイオン注入密度がウェハ33のどの位置でも均一となるように調整される。
The first XY deflection electrode 27 is provided for fine adjustment and correction of the ion beam trajectory.
The ExB-type mass separator 28 selects the target ion species from the ion beam input from the incident port based on the mass of the ion species, and passes only the ion beam composed of the selected ion species through the exit slit.
The second XY deflection electrode 30 is applied with a periodically changing voltage waveform, and the ion beam consisting of the selected ion species is periodically swung in the XY direction so that the ion beam reaches the entire surface of the wafer 33. Control. At this time, the voltage waveform applied to the second XY deflection electrode 30 is adjusted so that the ion implantation density is uniform at any position on the wafer 33.

ウェハステージ34前方(上流側)にはカップ型構造の2次電子抑制電極32が設置されており、ウェハステージ電位に対して−90Vのバイアス電位が印加される。
ウェハステージ34には、後段加速用高圧電源35により最大−30KVの後段加速電圧が印加されている。これにより、イオンビームは、負の高電圧電位が印加されたウェハステージ34に入射する。
なお、この実施例では使用した後段加速用電源35の最大電圧出力を-30kVとしたが、必要に応じてより高電圧の電源を用いることにより、図8に示すような200keV程度までの注入エネルギー(イオンビーム輸送エネルギー)を得ることが可能である。
A secondary electron suppression electrode 32 having a cup-type structure is provided in front of the wafer stage 34 (upstream side), and a bias potential of −90 V is applied to the wafer stage potential.
The wafer stage 34 is applied with a post-acceleration voltage of -30 KV at maximum by a post-acceleration high-voltage power supply 35. As a result, the ion beam is incident on the wafer stage 34 to which a negative high voltage potential is applied.
In this embodiment, the maximum voltage output of the post-acceleration power supply 35 used is set to -30 kV. However, by using a higher voltage power supply as necessary, the injection energy up to about 200 keV as shown in FIG. (Ion beam transport energy) can be obtained.

このように、イオンビームAは最後に、ウェハステージ34に印加された負の高電圧により後段加速され、所要の注入エネルギーでウェハ33に注入される。
イオンビームAがウェハ33に入射すると、ウェハ33表面から2次電子Bが放出される。ここで図3に示すようにウェハステージ34と接地電位の電極31との間に何も無いと、2次電子Bはイオンとは逆の負の電荷を有するので、イオンとは逆の接地電位31側に向けて加速される。2次電子の加速エネルギーはイオンの後段加速エネルギーと同じとなる。2次電子が数keV以上のエネルギーまで加速されて電極等の金属材料に当たると人体に有害なX線pが発生し、これが装置外部まで出てくる可能性がある。
As described above, the ion beam A is finally accelerated by the negative high voltage applied to the wafer stage 34 and is injected into the wafer 33 with the required implantation energy.
When the ion beam A is incident on the wafer 33, secondary electrons B are emitted from the surface of the wafer 33. Here, as shown in FIG. 3, if there is nothing between the wafer stage 34 and the ground potential electrode 31, the secondary electrons B have a negative charge opposite to the ions, so that the ground potential opposite to the ions is present. It is accelerated toward the 31st side. The acceleration energy of the secondary electrons is the same as the subsequent acceleration energy of the ions. When secondary electrons are accelerated to an energy of several keV or more and hit a metal material such as an electrode, X-rays p harmful to the human body are generated, which may come out of the apparatus.

これを防止するため、図4に示すように、ウェハステージ34と後段加速前電極31と間のウェハ33前方に、発生した2次電子Bの抑制のための中間電極(2次電子抑制電極)32が設けられる。この2次電子抑制電極32には、後段加速用高圧電源35によりウェハステージ34の電圧に対して負極性のバイアス電圧qを印加する。これによりウェハ33方向に2次電子Bを戻す電場が形成される。
イオンが固体表面に当たった際に発生する2次電子Bの放出エネルギーは最大でも30eV以下であるので、バイアス電圧qを2次電子を押し戻す程度のバイアス電圧q、具体的には−30V以上とすることにより、ほとんどの2次電子Bはウェハ33側に戻される。本実施例では、上記したようにこのバイアス電圧qを−90Vとしている。
この2次電子抑制は、X線pの漏出を防止できるだけでなく、ウェハ33に注入されるイオンビーム電流を正確に測定するためにも必要である。
In order to prevent this, as shown in FIG. 4, an intermediate electrode (secondary electron suppression electrode) for suppressing secondary electrons B generated in front of the wafer 33 between the wafer stage 34 and the post-acceleration electrode 31 is provided. 32 is provided. A bias voltage q having a negative polarity with respect to the voltage of the wafer stage 34 is applied to the secondary electron suppressing electrode 32 by a post-acceleration high voltage power supply 35. Thereby, an electric field for returning the secondary electrons B in the direction of the wafer 33 is formed.
Since the emission energy of the secondary electrons B generated when the ions hit the solid surface is 30 eV or less at the maximum, the bias voltage q is such that the bias voltage q pushes back the secondary electrons, specifically, −30 V or more. By doing so, most of the secondary electrons B are returned to the wafer 33 side. In the present embodiment, as described above, the bias voltage q is set to -90V.
This secondary electron suppression is necessary not only to prevent leakage of X-rays p but also to accurately measure the ion beam current injected into the wafer 33.

イオン注入量はイオンビーム電流の積算値から得られるが、本発明の方式ではウェハステージ34が高電圧の電位となるため、従来型装置のようにウェハステージ34に直接電流計を接続することはできない。
このため、本実施の形態例では図3、図4に示したように、接地電位と高電圧電源35との間に電流計60を接続し、ウェハ33から高電圧電源35を通して流れる電流を計測し、これを積算することによりイオン注入量を得る。
The ion implantation amount can be obtained from the integrated value of the ion beam current. In the method of the present invention, since the wafer stage 34 has a high voltage potential, it is not possible to connect an ammeter directly to the wafer stage 34 as in the conventional apparatus. Can not.
Therefore, in this embodiment, as shown in FIGS. 3 and 4, an ammeter 60 is connected between the ground potential and the high voltage power supply 35 and the current flowing from the wafer 33 through the high voltage power supply 35 is measured. Then, the amount of ion implantation is obtained by integrating these.

なお、2次電子抑制電極32は平板状あるいは円板状のものでも機能するが、図4で示したようなウェハステージ34全体を覆うようなカップ構造の方が、横方向に放出された電子にも効果があるので、より望ましい。   The secondary electron suppression electrode 32 functions as a flat plate or a disk, but the cup structure covering the entire wafer stage 34 as shown in FIG. It is more desirable because it is also effective.

また、図2および図8に示すように、イオン発生器23から第2XY偏向電極30までのイオンビーム輸送エネルギーは5keV以下であることが望ましく、ビーム輸送効率の大幅な減少が起こらない限り1keV程度まで低くすることが、より高い質量分離性能を得られるので望ましい。
このようにイオンビーム輸送エネルギーを5keV以下(望ましくは2keV以下)とすることは、既存のイオン注入装置が通常は最低でも10keV以上、通常30keV以上のイオンビーム輸送エネルギーとされていることとに比べ、明らかに低エネルギーである。
イオン発生器から質量分離、ビームスキャニングのためのXY偏向までのビーム輸送エネルギーを5keV以下の低エネルギー領域で行うことは、以下の利点がある。
(1)質量分離器を小型化できる。
イオンビームはエネルギーが低くなるほど磁場中で曲がりやすくなるので、質量分離器を小型化できる。また、同じ質量分離条件の下ではイオン通過エネルギーを低くするほど質量分解能が向上する。
(2)ビームラインを短くできる。
電場、磁場で曲がりやすくなるので、ビームスキャニングのためのXY偏向をより短いビームパスで行うことが可能であり、ビームラインを短くできる。
(3)ビームライン内部のコンポーネントを小型化できる。
ビームライン真空容器50内部の部品の絶縁は、印加する電圧が数kV程度であれば数mm程度で済むので、ビームライン内部のコンポーネントの小型化に有利である。
(4)制御回路を小型化できる。
ビーム輸送エネルギーが低ければ集束レンズやXY偏向などのビーム制御に必要とされる電圧も低くなり、その制御電源は小型のものでよい。ミニマルファブ生産システムでの単位処理装置は筐体が非常に小型であるため、制御電源等も小型のものしか設置するスペースがない。そのため、少しでも小型の電源を利用できる方が有利となる。
(5)空間電荷効果による発散の影響やエネルギーコンタミネーションを排除することができる。
大口径ウェハ装置では大電流ビーム(〜mA)を用いるため、照射時にレジストからのアウトガスが大きく発生し、それが原因でエネルギーコンタミネーションが起こりやすくなる。また、後段加速段階でビーム輸送エネルギー量を制御しようとすると減速しなければならない場合が生じ、その場合にはエネルギーコンタミネーションが起こりやすくなる。また、ビーム長が長くなれば、エネルギーコンタミネーションの影響ばかりでなく空間電荷効果によるビーム発散も起こりやすくなる。
これに対し本実施の形態例では、ビーム長を短くでき、しかもビーム電流も〜μAと少ないことから、空間電荷効果による発散の影響やエネルギーコンタミネーションを排除することができる。また、後段加速段階では所望するイオンビーム輸送エネルギーまで加速するので(減速する必要はないので)、減速によって生じるエネルギーコンタミネーションを排除することができる。
(6)市販の安価な既製品を使用することができる。
5kV以下であれば、電源、コネクタ等が民生品として存在し、これらを利用することができるので安価である。
As shown in FIGS. 2 and 8, the ion beam transport energy from the ion generator 23 to the second XY deflection electrode 30 is desirably 5 keV or less, and about 1 keV unless a significant decrease in beam transport efficiency occurs. It is desirable to lower the value to a lower value because a higher mass separation performance can be obtained.
In this way, the ion beam transport energy is set to 5 keV or less (preferably 2 keV or less) compared with the existing ion implantation apparatus which is usually at least 10 keV or more and usually 30 keV or more. Obviously low energy.
Performing the beam transport energy from the ion generator to XY deflection for mass separation and beam scanning in the low energy region of 5 keV or less has the following advantages.
(1) The mass separator can be reduced in size.
Since the ion beam is more easily bent in the magnetic field as the energy is lower, the mass separator can be miniaturized. Further, under the same mass separation conditions, the mass resolution is improved as the ion passage energy is lowered.
(2) The beam line can be shortened.
Since it becomes easy to bend by an electric field and a magnetic field, XY deflection for beam scanning can be performed with a shorter beam path, and the beam line can be shortened.
(3) The components inside the beam line can be reduced in size.
Insulation of the components inside the beamline vacuum vessel 50 is only about several mm if the applied voltage is about several kV, which is advantageous for downsizing the components inside the beamline.
(4) The control circuit can be downsized.
If the beam transport energy is low, the voltage required for beam control such as a focusing lens and XY deflection also becomes low, and the control power source may be small. Since the unit processing apparatus in the minimal fab production system has a very small casing, there is a space for installing only a small control power supply. Therefore, it is advantageous to be able to use a small power supply as much as possible.
(5) The influence of divergence and energy contamination due to the space charge effect can be eliminated.
Since a large current wafer apparatus uses a large current beam (-mA), a large amount of outgas is generated from the resist during irradiation, and energy contamination is likely to occur. In addition, when attempting to control the beam transport energy amount in the post-acceleration stage, there is a case where it is necessary to decelerate, in which case energy contamination is likely to occur. Further, when the beam length is increased, not only the influence of energy contamination but also the beam divergence due to the space charge effect is likely to occur.
On the other hand, in this embodiment, the beam length can be shortened and the beam current is as small as .mu.A, so that the influence of divergence and energy contamination due to the space charge effect can be eliminated. Further, since acceleration is performed to a desired ion beam transport energy in the subsequent acceleration stage (since it is not necessary to decelerate), energy contamination caused by deceleration can be eliminated.
(6) Commercially available inexpensive off-the-shelf products can be used.
If it is 5 kV or less, a power supply, a connector, etc. exist as consumer goods, and since these can be utilized, it is inexpensive.

このように、イオン発生器23からExB型質量分離器28までのビーム輸送エネルギーが5keV以下であると、ExB型質量分離器28はビーム輸送距離が短くても十分なイオン分解能を確保できるので、ExB型質量分離器28自体を小型にすることができる。
そして、ビームライン長を短くすればするほどビーム発散等の影響による輸送効率減少は低減される。
Thus, if the beam transport energy from the ion generator 23 to the ExB type mass separator 28 is 5 keV or less, the ExB type mass separator 28 can ensure sufficient ion resolution even if the beam transport distance is short. The ExB type mass separator 28 itself can be reduced in size.
As the beam line length is shortened, the decrease in transport efficiency due to the influence of beam divergence and the like is reduced.

本実施の形態例では、質量分離器28は、ExB型質量分離器として構成されている。
このExB型質量分離器28では、ネオジウム磁石による磁気回路によりイオンビーム軸に直交する約3000ガウスの磁場を印加している。そしてこの静磁場に互いに直交する電場を印加するための電極が設置されており、質量分離はこの電極に印加する電圧を制御することにより行う。
また、このようにExB型質量分離器28にネオジウム磁石またはサマリウムコバルト磁石を使用すると、数cm角程度の小さな磁石でも容易に2000ガウス以上の強い磁場が得られるので、質量分離器の大きさを10cm程度まで小型化することができる。
ExB型質量分離器28の出口側には質量分離スリット29が設けられており、直進するイオン種のみを通過させることで、必要とする特定イオン種のみのイオンビームを得る。
In the present embodiment, the mass separator 28 is configured as an ExB type mass separator.
In this ExB type mass separator 28, a magnetic field of about 3000 gauss orthogonal to the ion beam axis is applied by a magnetic circuit using a neodymium magnet. Electrodes for applying electric fields orthogonal to the static magnetic field are provided, and mass separation is performed by controlling the voltage applied to the electrodes.
Further, when a neodymium magnet or a samarium cobalt magnet is used for the ExB type mass separator 28 in this way, a strong magnetic field of 2000 gauss or more can be easily obtained even with a small magnet of about several centimeters square. It can be downsized to about 10cm.
A mass separation slit 29 is provided on the exit side of the ExB mass separator 28. By passing only ion species traveling straight, an ion beam of only a specific ion species required is obtained.

このように、質量分離器28に永久磁石を用いたExB型ウィーンフィルターを用いることにより、質量分離器本体および制御電源の両方を小型化することができる。
従来型装置で用いられている電磁石による磁場偏向方式は質量分解能が高く、制御性も良いので装置サイズに制約のない場合には最適な選択である。しかし電磁石本体が非常に大きくなること、また設計によっては除熱のために水冷が必要になること、電磁石コイル制御に必要となる定電流制御電源が非常に大型となること等の理由により、小型化には不向きである。また、たとえ通過ビームエネルギーを低くしても、単位処理装置Mに採用できるサイズにすることは難しい。
これに対し、ExB型質量分離器28であれば、磁場一定のもとで、直交する電場強度の制御により質量分離が可能であるので、磁場発生に永久磁石を使用でき、質量分離器本体を小型化できる。また、電場制御に用いる定電圧制御電源も、電磁石用の制御電源と比較して圧倒的に小型となるので、単位処理装置M内に配置するイオン注入装置に適している。
Thus, by using the ExB type Wien filter using a permanent magnet for the mass separator 28, both the mass separator body and the control power source can be miniaturized.
The magnetic field deflection method using an electromagnet used in a conventional apparatus has a high mass resolution and good controllability, so that it is an optimal choice when the apparatus size is not limited. However, due to the fact that the electromagnet body becomes very large, depending on the design, water cooling is required for heat removal, and the constant current control power supply necessary for electromagnet coil control becomes very large, etc. Not suitable for conversion. Moreover, even if the passing beam energy is low, it is difficult to make the unit processing apparatus M a size that can be adopted.
On the other hand, with the ExB type mass separator 28, mass separation is possible by controlling the orthogonal electric field strength under a constant magnetic field, so that a permanent magnet can be used for magnetic field generation. Can be downsized. Also, the constant voltage control power source used for electric field control is overwhelmingly smaller than the electromagnet control power source, and is therefore suitable for an ion implantation apparatus disposed in the unit processing apparatus M.

また、本実施の形態例では、必要とするイオン種ごとに、あるいはイオン源ガスごとに、別々の単位処理装置Mを構成している。
ExB型質量分離器28は、ビームラインを短くすることができるとしても、従来型に比べて質量分解能に劣るため、例えば、質量数1違いのBF+とP+の分離は難しい。しかし、どちらか1種類のガスのみの使用であれば、イオン化によって生じるイオン種(BF3ガスの場合、B++, B+, F+, BF+, BF2+等)の分離には十分な性能を有する。そこで、ミニマルファブ生産システム用のイオン注入装置は、1台の装置に装着するガス種を1種類のみと限定し、他のイオン源ガスを使用しないことによりコンタミネーションを排除することとしたのである。
これにより、極めて小型であっても、十分な質量分離性能を有するイオン注入装置を得ることができる。
In the present embodiment, a separate unit processing apparatus M is configured for each required ion species or each ion source gas.
Even though the ExB-type mass separator 28 can shorten the beam line, the ExB-type mass separator 28 is inferior in mass resolution as compared with the conventional type. For example, it is difficult to separate BF + and P + having a mass number different by one. However, if only one kind of gas is used, it has sufficient performance for separation of ion species generated by ionization (in the case of BF3 gas, B ++, B +, F +, BF +, BF2 +, etc.). Therefore, the ion implantation apparatus for the minimal fab production system is limited to only one kind of gas to be installed in one apparatus and eliminates contamination by using no other ion source gas. .
Thereby, even if it is very small, the ion implantation apparatus which has sufficient mass separation performance can be obtained.

以上の構成により、イオン発生器23のイオンビーム出口からウェハ33までのイオンビームパスは約30cmまで短縮することができる。
したがって、図5に示したように、ビームライン真空容器50、イオン源ガスボンベ21、高真空ポンプ36、36’、制御回路38等、全ての必要とされる構成部品は、単位処理装置Mの筺体内に収納可能となっている。
With the above configuration, the ion beam path from the ion beam outlet of the ion generator 23 to the wafer 33 can be shortened to about 30 cm.
Therefore, as shown in FIG. 5, all necessary components such as the beam line vacuum vessel 50, the ion source gas cylinder 21, the high vacuum pumps 36 and 36 ', the control circuit 38, etc. are the housing of the unit processing apparatus M. It can be stored inside.

このように構成したイオン注入装置Sのビーム性能テスト結果を以下に示す。
テストではイオン源ガスとしてアルゴンガスを使用した。イオン発生器23から後段加速前電極31までのビーム輸送エネルギーは1keVに設定した。
得られたイオンビーム電流は、質量分離後のAr1価イオンで最大1μAであった。このイオンビーム電流の時、ハーフインチサイズのミニマルウェハ全面に1平方センチメートル当たり1E14個のイオンを注入するのに要した時間は10秒程度であった。
A beam performance test result of the ion implantation apparatus S configured as described above is shown below.
In the test, argon gas was used as the ion source gas. The beam transport energy from the ion generator 23 to the post-acceleration pre-acceleration electrode 31 was set to 1 keV.
The obtained ion beam current was a maximum of 1 μA for Ar monovalent ions after mass separation. With this ion beam current, the time required to implant 1E14 ions per square centimeter over the entire half-inch size minimal wafer was about 10 seconds.

図6に、本実施の形態例におけるExB型質量分離器28を用いたアルゴンイオンビームの質量分離スペクトルを示す。アルゴンの一価イオンと2価イオンが分離されて検出されていることがわかる。
図6上部には、本発明における、BF3ガスおよびPH3ガスを使用した場合に現れるイオン種の検出位置を示した。アルゴンガスのテストで得られたピーク幅(=質量分解能)から、数多くのイオン種が現れるBF3使用の場合であっても、全てのイオン種を分離する能力があることがわかる。
電力メーターを用いて装置の使用電力を測定したところ、起動時が最大で400W、定常運転時は330W以下であった。これは、既存のイオン注入装置の1/100以下と極めて省エネである。
FIG. 6 shows a mass separation spectrum of an argon ion beam using the ExB type mass separator 28 in the present embodiment. It can be seen that the monovalent and divalent ions of argon are separated and detected.
The upper part of FIG. 6 shows the detection positions of ion species that appear when BF3 gas and PH3 gas are used in the present invention. From the peak width (= mass resolution) obtained in the argon gas test, it can be seen that there is an ability to separate all ionic species even when using BF3 in which many ionic species appear.
When the power consumption of the device was measured using an electric power meter, the maximum was 400W at startup and 330W or less during steady operation. This is extremely energy saving as 1/100 or less of the existing ion implantation apparatus.

このように極めて省エネなのは、以下の理由による。
本実施の形態例では質量分離を含むビーム制御に電磁石を一切使用していない。電磁石はビームの有無に関わらず、大きな電力を消費するデバイスである。これを排除することにより大幅な省エネが可能となる。本実施の形態例では質量分離を含む全てのビーム制御を電場の制御で行っている。電場制御に用いる定電圧電源の消費電力は1つの電源につき1W程度のもので十分であり、複数台使用しても、極めて少ない電力でビーム制御を行うことができる。
さらに本実施の形態例では、イオン発生器から処理室を含む真空容器の体積が1L程度と非常に小さいために、使用する真空排気ポンプは排気速度が従来装置の1/100以下の小型のもの1台で十分である。真空排気ポンプはモーターを使用するために大きな電力を必要とするデバイスである。これを小型化することにより装置の使用電力は大幅に削減される。
Such extremely energy saving is as follows.
In this embodiment, no electromagnet is used for beam control including mass separation. An electromagnet is a device that consumes a large amount of power with or without a beam. By eliminating this, significant energy savings are possible. In this embodiment, all beam control including mass separation is performed by electric field control. The power consumption of the constant voltage power source used for the electric field control is about 1 W per power source, and even when a plurality of units are used, the beam control can be performed with very little power.
Furthermore, in this embodiment, since the volume of the vacuum vessel including the processing chamber from the ion generator is as small as about 1 L, the vacuum pump to be used is a small pump whose exhaust speed is 1/100 or less of the conventional apparatus. One is enough. A vacuum pump is a device that requires a large amount of power to use a motor. By reducing the size, the power consumption of the apparatus is greatly reduced.

また、本実施の形態例では、注入エネルギーが数keV台の超低エネルギーイオン注入を従来装置と比較して極めて高い効率で行うことができるという利点も有する。これは以下の理由による。
ミニマルファブ生産システムでのイオン注入装置Sでは、必要とされるイオン電流はウェハ面積がハーフインチサイズ(12.5mm径)と小さいことにより、既存12インチ(約300mm)径ウェハ用装置の1/1000、すなわち数μA程度でよく、イオン密度は桁違いに低い。さらに、単位処理装置Mの外形サイズの制約から、イオン発生器23からウェハ33までのビームライン長を非常に短くする必要があるが、却ってビーム輸送距離が極端に短いためイオンビームの発散効果は無視できるレベルとなり、1〜2keV程度の非常に低いイオンビーム輸送エネルギーのイオンビームであっても、ほとんど損失のない状態でイオンビームをウェハ33まで輸送することができる。
近年、先端的なLSIプロセスでは微細化に伴い数keV領域の極浅注入が重要となっているが、既存のイオン注入装置ではビーム利用効率(輸送効率)が極端に悪くなることが問題となっている。これに対し、本発明での装置構成では、このような極浅注入も上記したように効率を落とすことなく行うことが可能であり、またイオンの減速も行わずに済むので、エネルギーコンタミネーションの心配もない。
In addition, this embodiment also has an advantage that ultra-low energy ion implantation with an implantation energy of several keV can be performed with extremely high efficiency as compared with the conventional apparatus. This is due to the following reason.
In the ion implanter S in the minimal fab production system, the required ion current is 1/1/2 that of the existing 12 inch (about 300 mm) diameter wafer device because the wafer area is as small as a half inch size (12.5 mm diameter). 1000, that is, about several μA is sufficient, and the ion density is extremely low. Furthermore, the beam line length from the ion generator 23 to the wafer 33 needs to be very short due to the limitation of the external size of the unit processing apparatus M. On the other hand, since the beam transport distance is extremely short, the divergence effect of the ion beam is Even if the ion beam has an ion beam transport energy of a very low ion beam energy of about 1 to 2 keV, the ion beam can be transported to the wafer 33 with almost no loss.
In recent years, ultra-shallow implantation in the several keV region has become important in advanced LSI processes with miniaturization, but the problem is that beam utilization efficiency (transport efficiency) becomes extremely poor in existing ion implantation systems. ing. On the other hand, in the apparatus configuration of the present invention, it is possible to perform such ultra shallow implantation without reducing the efficiency as described above, and it is not necessary to decelerate ions. No worries.

また、本実施の形態例では、イオン発生器32側を接地電位とし、ターゲット33を載置するウェハステージのみを高電圧とした。これにより以下の利点、効果が生ずる。   In this embodiment, the ion generator 32 side is set to the ground potential, and only the wafer stage on which the target 33 is placed is set to a high voltage. This produces the following advantages and effects.

高電圧の絶縁に必要な空間距離を大幅に縮小でき、装置サイズを大幅に縮小できる。
大気中と比較して、高真空中の絶縁耐性は高く、空間距離1cm程度でも100kV以上の耐性を有する。よって高電圧が印加されるウェハステージ34と接地電位となるビームライン真空容器50との絶縁に必要な空間距離は、200kV程度の高電圧であっても数cm程度もあれば十分に安全である。ハーフインチサイズ(直径12.5mm)のミニマルウェハ用のウェハステージ34は5cm程度以下に小さくできるので、該ウェハステージ34を内径10cm程度の小型のビームライン真空容器50内に配置しても、ウェハステージ34とビームライン真空容器50との間に十分な絶縁が確保できる。
The spatial distance required for high voltage insulation can be greatly reduced, and the device size can be greatly reduced.
Compared to the atmosphere, the insulation resistance in a high vacuum is high, and the resistance is 100 kV or more even at a spatial distance of about 1 cm. Therefore, the space distance necessary for insulation between the wafer stage 34 to which a high voltage is applied and the beamline vacuum vessel 50 serving as the ground potential is sufficiently safe even if it is about several centimeters even at a high voltage of about 200 kV. . Since the wafer stage 34 for a half-inch size (diameter 12.5 mm) minimal wafer can be reduced to about 5 cm or less, even if the wafer stage 34 is placed in a small beamline vacuum vessel 50 having an inner diameter of about 10 cm, the wafer Sufficient insulation can be ensured between the stage 34 and the beamline vacuum vessel 50.

また、本実施の形態例では、図2に示すイオン発生器23、ビームライン真空容器50等、大気側の部品を全て接地電位とした。これに伴い、これらを装置筺体にほぼ密接して設置が可能となる。これにより、ミニマル規格の装置幅30cmの狭い筐体内であっても、問題なく設置が可能となる。また、高電圧となる部分が外方に露出していない構造となるので、操作者にとっても安全である。   In the present embodiment, all components on the atmosphere side such as the ion generator 23 and the beam line vacuum vessel 50 shown in FIG. 2 are set to the ground potential. Along with this, it is possible to install them almost closely to the apparatus housing. As a result, even within a minimal housing with a minimal device width of 30 cm, it can be installed without problems. In addition, since the high voltage portion is not exposed to the outside, it is safe for the operator.

さらに、本実施の形態例では、従来の大型絶縁トランスや光通信機器等が不要となり、装置を小型化、低コスト化できる。
図1に示す従来型の装置構成では、高電圧部に置かれたイオン源3、質量分離器8等に電力を供給するための大きな絶縁トランス6、および接地電位側からこれらを制御するために光通信機器(図示せず)などが必要となる。これに対して、本実施の形態例では、図2に示すように高電圧部に制御する機器がないため、これらの機器が不要となる。そのためこれらの機器を設置するためのスペースは必要なく、装置の小型化が実現できる。また、低コスト化にも有効である。
Furthermore, in this embodiment, a conventional large-sized insulating transformer, optical communication equipment, and the like are not required, and the apparatus can be reduced in size and cost.
In the conventional apparatus configuration shown in FIG. 1, an ion source 3 placed in a high voltage section, a large insulation transformer 6 for supplying power to the mass separator 8 and the like, and the ground potential side for controlling them. An optical communication device (not shown) is required. On the other hand, in the present embodiment, there is no device for controlling the high voltage section as shown in FIG. 2, so these devices are unnecessary. Therefore, there is no need for a space for installing these devices, and the apparatus can be downsized. It is also effective for cost reduction.

他の実施の形態例として、イオン注入プロセス毎に注入条件(イオン種および注入エネルギー)を最適化して単機能とすることにより、ミニマルファブ生産システムにおける単位処理装置Mを構成することもできる。
半導体製造プロセスで使用されるイオン注入エネルギー領域は数keVから100keV以上まで広範囲にわたる。これらを全てカバーできる装置とすると装置構成が複雑になり、装置価格も上がる。一方、ミニマルファブ生産システムでの量産ラインでは、他の装置も含めて、1つの装置で1つのプロセスのみが行われる。そのため、一度量産ラインに組み込まれると、ほぼ同じイオン注入条件でのみの使用となる。したがって、そのイオン注入条件のみに最適化し、他の余分な装備、機能等を取り除いた単機能の単位処理装置とすることができる。
このようにすることでイオン注入装置自体の価格を下げることが可能である。量産ラインでは多数のイオン注入装置が導入されることになるので、機能を限定した単機能化はミニマルファブ生産システムでの生産ラインの投資額低減に効果が大きい。
As another embodiment, the unit processing apparatus M in the minimal fab production system can be configured by optimizing the implantation conditions (ion species and implantation energy) for each ion implantation process to have a single function.
The ion implantation energy region used in the semiconductor manufacturing process ranges widely from several keV to over 100 keV. An apparatus that can cover all of them complicates the apparatus configuration and increases the apparatus price. On the other hand, in the mass production line in the minimal fab production system, only one process is performed by one device including other devices. Therefore, once it is incorporated into the mass production line, it can be used only under substantially the same ion implantation conditions. Therefore, it is possible to provide a single-function unit processing apparatus that is optimized only for the ion implantation conditions and that eliminates other extra equipment and functions.
By doing so, it is possible to reduce the price of the ion implantation apparatus itself. Since a large number of ion implantation apparatuses will be introduced in the mass production line, the single function with limited functions is very effective in reducing the investment amount of the production line in the minimal fab production system.

このように、本発明のイオン注入装置は、ハーフインチサイズのウェハを用いるミニマルファブ生産システムに使用される規格化された外形を有する単位処理装置に用いて最適なイオン注入装置とすることができる。
しかしながら、ミニマルファブ生産システムでの使用に限定することなく、きわめて小型で省エネ、安価なイオン注入装置として、例えば大学等における研究開発や企業における小規模実験等に容易に導入可能である。
Thus, the ion implantation apparatus of the present invention can be an optimum ion implantation apparatus for use in a unit processing apparatus having a standardized outer shape used in a minimal fab production system using a half-inch wafer. .
However, the present invention is not limited to use in a minimal fab production system, and can be easily introduced as an extremely small, energy-saving, and inexpensive ion implantation apparatus, for example, in research and development at universities and small-scale experiments at companies.

なお、本発明においては、使用するイオン発生器の種類は問わないが、なるべく小型、省電力、高効率、低コストであり、また安定性、耐久性に優れたものであることが望ましい。イオン発生は時間的にパルス的に行うものよりも、連続して行う方式の方が望ましい。これはパルス状にイオンを発生させると、イオン密度が高くなり、電荷の反発により、ビームの発散が起こる可能性があるからである。よって、時間的に一定の連続したイオンビームが得られるイオン発生器23が望ましい。   In the present invention, the type of ion generator to be used is not limited, but it is desirable that the ion generator be as small as possible, power saving, high efficiency, low cost, and excellent in stability and durability. Ion generation is preferably performed continuously rather than pulsed in time. This is because, when ions are generated in a pulse shape, the ion density increases, and beam divergence may occur due to repulsion of charges. Therefore, the ion generator 23 that can obtain a continuous ion beam that is constant in time is desirable.

21 ソースガス
23 イオン発生器
24 中性粒子除去器
25 差動排気スリット
26 集束レンズ
27 第1XY偏向電極
28 ExB型質量分離器
29 質量分離スリット
30 第2XY偏向電極
31 後段加速前電極
32 2次電子抑制電極
33 ターゲット(ウェハ)
34 ウェハステージ
35 後段加速用高圧電源
36、36’ 真空ポンプ
39 ウェハ搬送用空間
40 引出電極(前段加速器)
42 ドッキングポート
43 ゲートバルブ
44 処理室
50 ビームライン真空容器
A イオンビーム
M 単位処理装置
Ma 本体部
Mb 制御収納部
Mc 前室
S イオン注入装置
21 Source gas 23 Ion generator 24 Neutral particle remover 25 Differential exhaust slit 26 Condensing lens 27 First XY deflection electrode 28 ExB type mass separator 29 Mass separation slit 30 Second XY deflection electrode 31 Post-acceleration electrode 32 Secondary electrons Suppression electrode 33 Target (wafer)
34 Wafer stage 35 High-speed power supply 36, 36 'for subsequent stage acceleration Vacuum pump 39 Wafer transfer space 40 Extraction electrode (front stage accelerator)
42 Docking Port 43 Gate Valve 44 Processing Chamber 50 Beamline Vacuum Container A Ion Beam M Unit Processing Device Ma Main Body Mb Control Storage Unit Mc Front Chamber S Ion Implantation Device

Claims (5)

ハーフインチサイズのウェハを載置するウェハステージと
1種類のイオン源ガスからイオンを発生させるイオン発生器と、
前記イオン発生器からイオンを引き出す前段加速器と、
前記前段加速器によって引き出されたイオンビームを質量分離する質量分離器と、
前記質量分離器により選択したイオンビームをXY方向にスキャンするXY偏向器と、
前記XY偏向器によってスキャンされたイオンビームを前記ウェハまで加速する後段加速器と
れらを収納するビームライン真空容器と、を有し、
前記質量分離を、永久磁石を用いた磁場と、該磁場と直交する電場の制御とにより行い、
前記イオン発生器から前記XY偏向器までのイオンビーム制御を、5keV以下の低エネルギー領域で行うとともに、
前記後段加速器によるイオンビーム制御を、前記ビームライン真空容器を接地電位とし、前記ウェハに印加する負の高電圧で行う
ことを特徴とするイオン注入装置。
A wafer stage on which a half-inch wafer is placed ;
An ion generator for generating ions from one kind of ion source gas ;
A pre-accelerator for extracting ions from the ion generator;
A mass separator for mass-separating the ion beam extracted by the former accelerator;
An XY deflector that scans an ion beam selected by the mass separator in an XY direction;
A post-accelerator for accelerating a scanned ion beam to the wafer by the XY deflector,
Its has a beam line vacuum container for storing the these,
The mass separation is performed by controlling a magnetic field using a permanent magnet and an electric field orthogonal to the magnetic field,
While performing ion beam control from the ion generator to the XY deflector in a low energy region of 5 keV or less,
An ion implantation apparatus characterized in that the ion beam control by the post accelerator is performed with a negative high voltage applied to the wafer while the beam line vacuum vessel is at a ground potential.
請求項1に記載のイオン注入装置において、前記ウェハの前方に、前記ウェハに対して-30V以上の電位を印加する2次電子抑制電極を配置する
ことを特徴とするイオン注入装置。
The ion implantation apparatus according to claim 1, wherein a secondary electron suppression electrode that applies a potential of −30 V or more to the wafer is disposed in front of the wafer.
ハーフインチサイズのウェハを載置するウェハステージと
1種類のイオン源ガスからイオンを発生させるイオン発生器と、
前記イオン発生器からイオンを引き出す前段加速器と、
前記前段加速器によって引き出されたイオンビームを質量分離する質量分離器と、
前記質量分離器により選択したイオンビームをXY方向にスキャンするXY偏向器と、
前記XY偏向器によってスキャンされたイオンビームをェハまで加速する後段加速器と
れらを収納するビームライン真空容器と、を有し、
前記質量分離を、永久磁石を用いた磁場と、該磁場と直交する電場の制御とにより行い、
前記イオン発生器から前記XY偏向器までのイオンビーム制御を、前記ウェハにイオンを注入して製造される半導体のゲート長に応じた注入エネルギー領域以下で行うとともに、
前記後段加速器によるイオンビーム制御を、前記ビームライン真空容器を接地電位として前記ウェハに負の高電圧を印加し、前記高電圧を制御することにより、イオン注入に必要な注入エネルギーまで加速する制御とする
ことを特徴とするイオン注入装置。
A wafer stage on which a half-inch wafer is placed ;
An ion generator for generating ions from one kind of ion source gas ;
A pre-accelerator for extracting ions from the ion generator;
A mass separator for mass-separating the ion beam extracted by the former accelerator;
An XY deflector that scans an ion beam selected by the mass separator in an XY direction;
A post-accelerator for accelerating a scanned ion beam to c E c by the XY deflector,
Its has a beam line vacuum container for storing the these,
The mass separation is performed by controlling a magnetic field using a permanent magnet and an electric field orthogonal to the magnetic field,
Ion beam control from the ion generator to the XY deflector is performed below an implantation energy region corresponding to a gate length of a semiconductor manufactured by implanting ions into the wafer,
The ion beam control by the post-stage accelerator is a control for accelerating to an implantation energy necessary for ion implantation by applying a negative high voltage to the wafer with the beam line vacuum vessel as a ground potential and controlling the high voltage. An ion implantation apparatus characterized by:
請求項1ないしのいずれかに記載のイオン注入装置が収容される本体部と、
前記ウェハを前記本体部内へ搬送するための前室と、を有する
とを特徴とする単位処理装置。
A main body in which the ion implantation apparatus according to any one of claims 1 to 3 is accommodated;
To have a, a front chamber for conveying the wafer to the body portion
Unit process and wherein a call.
請求項に記載の単位処理装置において、
前記イオン注入装置は、所定のイオン注入プロセスに適合させた注入条件とされている
ことを特徴とする単位処理装置。
The unit processing apparatus according to claim 4 , wherein
The unit processing apparatus is characterized in that the ion implantation apparatus has an implantation condition adapted to a predetermined ion implantation process.
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JPS4830702B1 (en) * 1967-03-31 1973-09-22
US4512812A (en) * 1983-09-22 1985-04-23 Varian Associates, Inc. Method for reducing phosphorous contamination in a vacuum processing chamber
JPS61285648A (en) * 1985-06-12 1986-12-16 Nec Kansai Ltd Ion implanting apparatus
JP3096985B2 (en) * 1990-08-21 2000-10-10 日新電機株式会社 Ion source with mass separation mechanism
JPH09283074A (en) * 1996-04-09 1997-10-31 Applied Materials Inc Ion implantation device and method
JP3598299B2 (en) * 2002-04-12 2004-12-08 株式会社エイコー・エンジニアリング Liquid polyatomic ion beam generator
JP2005209762A (en) * 2004-01-21 2005-08-04 Seiko Epson Corp Manufacturing method for semiconductor device, reticle, and semiconductor manufacturing facility
JP2006221941A (en) * 2005-02-09 2006-08-24 Nissin Ion Equipment Co Ltd Ion implantation device and ion implantation method
JP5361002B2 (en) * 2010-09-01 2013-12-04 独立行政法人産業技術総合研究所 Device manufacturing apparatus and method

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