JPH10283977A - イオン注入装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大口径イオンビームを大口径ウェファに照射
するイオン注入装置において、従来は質量分離せずにウ
ェファに注入していた。それでは不純物も注入されるか
ら、質量分離をする事が望ましい。大口径イオンビーム
を質量分離してイオン注入できる装置を提供する事が目
的である。 【解決手段】 直交２方向に広がりをもつ大面積のイオ
ンビームを生成するイオン源１と、湾曲傾斜面を持つ複
数の扇形対向磁極Ｍ₁ 、Ｍ₂ 、…、Ｍ_s を円弧状に配列
した質量分析マグネット２と、試料３を支持する支持機
構８よりなり、イオン源１から出た大面積イオンビーム
を質量分析マグネット２の入口４に入射させ質量分離し
出口５から出た直交２方向に試料３以上の広がりをもつ
大面積イオンビームを、走査しないで、試料３に照射す
るようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウェファの
ように大型の加工品に対し高電流イオン注入を実現する
ための装置に関する。例えばＳｉウェファなどに、ｐ型
不純物のＢや、ｎ型不純物のＰ、Ａｓなどをイオンビー
ムとして加速して打ち込む場合がある。イオン注入の目
的や、イオン種は様々である。対象物が小さい場合は、
細いイオンビームを水平方向（ｘ方向）と垂直方向（ｙ
方向）に走査して対象物の全面にイオンビームを短時間
で注入することができる。細いイオンビームであれば質
量分析が容易であるからマグネットによって所望のイオ
ン種だけを選んで注入することができる。イオンビーム
をｘｙ２方向に走査すると時間がかかるが対象物が小さ
い場合はそれでも差し支えない。

【０００２】しかし対象物がガラス基板やＳｉウェファ
などのように広い面積を持つものであると、細いビーム
をｘｙ２方向に走査すると走査距離が長くなり時間がか
かりすぎる。スループットが低くなる。そこで、２次元
的な走査をしないより直接的に大面積を覆うような注入
方法が要望される。スループットが高くてしかも注入密
度の均一性に優れ、質量分離機能をも備えた大面積用の
イオン注入装置が望まれる。本発明は大面積の対象物に
大電流大面積のイオンビームを注入する方法に関する。

【０００３】

【従来の技術】大面積の対象物にイオンビームを注入す
るには大別して二つの方法がある。一つは回転ターゲッ
トを使用する方法である。回転と並進運動が可能な回転
ターゲットをエンドステーションに用いる。複数のウェ
ファを回転ターゲットの周囲に貼り付ける。細いイオン
ビームを質量分析した後左右に走査して、回転ターゲッ
トに取り付けられた複数枚のウェファにイオンビームを
照射する。そのとき回転ターゲットを並進運動させて１
枚のウェファの上から下までイオンビームを注入する。

【０００４】１枚のウェファにイオン注入ができると、
ターゲットを１枚分回転させて次のウェファにも並進運
動をしてイオン注入をする。つまりビームをｘ方向の走
査し、ウェファをｙ方向に走査する。複合走査によって
広いウェファの全面にイオンビームを注入する。大面積
対象物に対しては回転ターゲット方式が主流である。

【０００５】もう一つは大口径のイオン源を用いる方法
である。初めから大口径のイオンビームの束を生成しそ
のままウェファに照射する。これは様々の問題がありま
だ実用的なレベルに達していない。回転ターゲット方式
も大口径イオン源方式も次のような問題がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】

１．回転ターゲットを使用する方式では、ビーム光学系
は比較的単純である。ビームを質量分析マグネットに通
し、一次元走査系に通すだけだからである。しかし反
面、エンドステーションが複雑になる。回転ターゲット
を使うのであるが、これは高速回転と並進運動を行う必
要がある。並進運動は一様な速度ではいけない。イオン
ビーム電流Ｉｂに比例し、ビーム位置ｘに反比例するよ
うな並進速度制御を行わなくてはいけない。またウェフ
ァに照射されるイオンビーム電流が高くなるとチャージ
アップ現象が顕著に現れるという難点がある

【０００７】２．大口径イオン源の方式では、ビーム光
学系はイオン引き出し系のみであるから装置構成はより
一層単純である。しかしイオンを質量分析しないため
に、電極から放出された不純物が、対象物注入される虞
がある。質量分析しないので分子も注入されるから、プ
ラズマの状態によって注入深さが変動するという難点も
ある。これら不純物の混入、注入深さのゆらぎなどは作
製されたデバイスの特性に強く影響する。

【０００８】質量分析しないから、イオン源ガスの必要
成分以外のガスがイオン化されてウェファに照射され
る。ウェファが余計に加熱され過度に温度上昇する。温
度上昇によりデバイスの特性が著しく劣化する可能性も
ある。例えばＳｉウェファに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
れをプラズマ化してイオンビームを引き出すので、ボロ
ンイオンだけでなく、水素イオンも大量に注入される。

【０００９】水素は拡散係数が大きいため、にアニール
処理をすれば基板から殆ど抜けてゆく。水素イオンの影
響は残らないのであるが、水素イオンが試料に打ち込ま
れると、その運動エネルギーが全部熱に変わるので、試
料が過熱され甚だしく温度上昇してしまう。

【００１０】さらに８インチ（２０ｃｍ）や１２インチ
（３０ｃｍ）といった大面積基板になると、ウェファ面
上でのゆらぎが数％以内という注入均一性を得るために
はビーム分布の精度がかなり高くなければならない。し
かしながらこれを実現するのは至難のわざである。

【００１１】３．電極不純物の影響を少なくすることが
でき、質量分析しない新しいイオン注入の方法としてＰ
ＩＩＩ（Plasma Immersion Ion Implantation ）という
ものが提案されている。大面積のイオン源から大面積の
イオンビームを引き出すと、質量分析することはよほど
難しい。フィラメントや引出電極があるとこれから放散
した不純物がイオンビームに混ざるので質量分析しない
と対象物（試料）にも不純物が注入される。この問題を
解決するためにＰＩＩＩ法が提案されている。ウェファ
をプラズマの中にさらし、ウェファに負の電圧を印加す
るとウェファの外側にシース領域が生ずる。シース領域
では大電圧が掛かるのでシース領域でイオンを加速しウ
ェファに注入するというものである。

【００１２】Shu Qin, Chung Chan and Nickol E McGru
er, Plasma Source Sci. Technol.1(1992) p1-6によっ
て初めて主張された方法である。ウェファをイオン源の
内部のプラズマに入れてしまうので、ビーム引き出しの
必要がなく引出電極系も不要である。ために引出電極か
らの不純物がでるという可能性はない。しかし質量分析
をするわけではないので、原料ガスに含まれる不要イオ
ンの注入を回避する事はできない。例えばＳｉウェファ
にボロンをｐ型ドーパントとして注入する場合、ソース
ガスとしてジボラン（Ｂ₂ Ｈ₆ ）ガスを用いる。この場
合水素イオンもシースで加速されウェファに注入され
る。

【００１３】水素ガスの注入によってウェファが過度に
過熱される。プラズマ密度を高くしてイオン電流密度を
高めようとすると、水素注入のために温度が上がりすぎ
る。ウェファの温度上昇を避けるためプラズマ密度を余
り高めることができない。ために注入時間の短縮ができ
ない。前記の報告によれば１０分かかって１．９×１０
¹⁵／ｃｍ² のボロン注入を行っている。しかしそのよう
に遅いイオン注入では役に立たない。実際ＰＩＩＩは実
用化されていないようである。

【００１４】４．それでは次のような改良が想到される
であろう。細いビームの左右上下２次元走査に替えて、
線分状（帯状）の一次元広がりのあるビームを試料に打
ち込み、試料をそれと直角方向に走査するというもので
ある。特開平６−３４２６３９号はそのようなイオン注
入装置を提案している。イオン源から帯状のイオンビー
ムを作りだし、二つの磁石とスリットを組み合わせ質量
分離する。質量分離磁石はｙ方向に狭いギャップを介し
て対向するダイポール磁石である。狭いギャップにはＸ
Ｚ面で一様なＹ方向磁場が形成される。

【００１５】イオンビームは円弧を描いて曲がり、スリ
ットの穴を通過し拡散して第２の磁石に入る。これによ
って平行なビームに成形され、水平方向（Ｘ方向）に広
がった帯状のイオンビームを作り出す。ウェファはそれ
と垂直（Ｙ方向）に走査する。これで実効的にウェファ
の全面にイオンビームを注入することができる。イオン
ビーム全面注入のために不可欠である二通りの走査（ス
キャン）を帯状ビームとウェファスキャンに分割してい
る。質量分離もしているし巧みな方法である。

【００１６】しかしこれには次の難点がある。磁場がＸ
Ｚ面で一様である。その場合収束性が問題である。細い
スリットを通過する質量エネルギーのイオンビームだけ
が選択されるというが、磁場が一様であると発散を抑制
できない。さらにウェファをＹ方向にスキャンするため
に複雑な機構が必要になる。真空中でウェファを動かす
機構であるので部品の寿命も短い。このように磁気的、
機構的な問題がある。

【００１７】５．それでは大口径イオン源を使って、こ
れを質量分析すればいいように思われよう。しかし大口
径イオンビームの質量分析はこれまで行われた事はな
い。ビーム径が大きいので磁石の間隔（ギャップ）も広
くしなければならない。当然に磁界を強くしなければな
らない。ただに磁石間隔を広げるだけでは足りない。広
い磁石ギャップの間に大口径イオンビームを通した場
合、磁束密度が一様にならないのでビームが発散する。
ビームが発散するとそれだけ損失になる。また発散ビー
ムがガスをイオン化し、不純物を導き入れることにもな
る。ためにコンタミネーションの原因にもなる可能性が
ある。そのような理由で大口径イオン源から出た大口径
イオンビームを質量分析するというようなことは、試み
の段階でもなされていない。実用レベルで実施された事
はない。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明のイオン注入装置
は、直交２方向に広がりをもつ大面積のイオンビームを
生成するイオン源と、湾曲傾斜面を持つ複数の扇形対向
磁極を円弧状に配列した質量分析マグネットと、試料を
支持する支持機構よりなり、イオン源から出た大面積イ
オンビームを質量分析マグネットの入口に入射させ質量
分離し、出口から出た直交２方向に試料以上の広がりを
もつ大面積イオンビームを、走査しないで、試料に照射
するようにしている。

【００１９】さらに質量分析マグネットの扇形対向磁極
の傾斜を示すｎ値と、湾曲を表すε、中心角θの値を磁
極毎に異なる値を与えて、大面積のイオンビームが中間
点の磁極近傍のｍ点で磁場方向に直交するｘ方向に収束
し、磁場方向のｙ方向には発散しないように工夫する。

【００２０】

【発明の実施の形態】

１．本発明のイオン注入装置の概略図を図１、図２に示
す。これはイオン源１、複数の磁極（磁石列）からなる
質量分析マグネット２、試料支持機構８に取り付けられ
たウェファ３を図示している。イオン源１は大面積のイ
オンビームを生成する。これがまず特徴ある点である。
線状の細いビームではなく、帯状のビームでもない。広
い円形断面を持つイオンビームである。大面積ビームは
これまで質量分離が不可能であったが、本発明はマグネ
ットによる大面積ビームの質量分離を行う。大面積のイ
オンビーム１１はマグネット２によって例えば１８０゜
（１２０°〜２４０°）曲げられてウェファ３に入射す
る。

【００２１】質量分離の磁石に本発明の特徴がある。こ
れは点Ｏを中心にして中心角Θが例えば１８０度の半円
上に配置した磁石列Ｍ₁ 、Ｍ₂ 、Ｍ₃ 、…、Ｍ_s であ
る。中心角は別段１８０度でなくても良いが、ここでは
図１に示すように１８０°を例にして説明する。これ
は、質量分離の為の磁石であり１２０度〜２４０度であ
っても可能である。円弧に沿って一様磁場を作るのでは
なく不均一磁場を作る。そのために円周方向に複数の磁
石に分割されている。この例では中心角が１８゜の１０
個の扇形磁石を並べている。Ｓ＝１０とは限らず、８
個、１２個、１４個でも良いし奇数個であってもよい。
６個以上２０個程度である。あまりに少ないと所望の収
束性を与えつつ質量分析を行う事ができない。多すぎる
と設備が巨大化して装置コストを押し上げる。

【００２２】一般にｓ個の扇形磁石を使い、ｊ番目の扇
形磁石の中心角をθ_j として、全円周角はΘ＝Σθ_j に
よって与えられる。同じ中心角θをもつ扇形磁石の場合
は、Θ＝ｓθである。中心角の合計Θは、１２０゜≦Θ
≦２４０゜の範囲に選べば良い。本発明は大面積のイオ
ンビームをそのまま質量分離するという前人未到のこと
を行おうとする。質量分離を十分に行うためには、ある
程度の曲がり角度が必要である。磁石毎の定数は、ｎ
値、ε、θである。

【００２３】ここで座標系を定義する。イオンビームは
円弧を描いて曲がるが、中心の円弧に沿う座標をｚ軸と
する。これは一部は直線であるが一部は円弧である。こ
のようなｚ軸の取り方は変則であるがビームの運動を直
観的に表現しやすい。ｘ軸はマグネットの分布面に平行
な方向外向きに取る。ｙ軸は磁極が対向する方向であ
る。つまり磁束密度はｙ方向を向いている。ビームは時
計廻りに曲がるものとする。ビームはｚ方向に進行し磁
場Ｂ_y は正であるとする。この時ファラディ力は−ｘ方
向を向いている。ファラディ力と遠心力が釣り合うので
磁極間では円弧状軌跡を描いてビームが通過する。

【００２４】ビームはイオン源においてｘｙ面に広がる
大面積ビームであり、例えば半径Ａの円ビームとする
と、ｘ² ＋ｙ² ≦ａ² で示されるような２方向に広がり
を持つビームである。直径２ａは例えば２００ｍｍ〜４
００ｍｍといった大きいビームである。このビームがマ
グネット２の入口４に入り、磁石列でΘだけ曲がり、出
口５でもほぼ同じ大きさ形状のビームとして出てくる。
例えばｘ² ＋ｙ² ≦ｂ²というようなビームになる。

【００２５】大口径ビームを質量分離し、大口径ビーム
として出すのである。これは通常の質量分離と少し違
う。通常の細いイオンビームの質量分離は、磁石とスリ
ットを組み合わせて行う。狭いギャップの対向磁極間に
ビームを通し、外部に出た拡散ビームをスリットに導き
所望の質量のイオンだけがスリットを通るようにする。
その他の質量のイオンはスリット板面にぶつかり消滅す
る。本発明もスリットを設けることによって不要なイオ
ンビームを除去する。幾つも扇形磁石を円弧上に並べる
が、その丁度中間あたりの収束点ｍのあたりにスリット
１４を設けるのである。図６にこれを示す。質量やエネ
ルギーが所望の値と異なるイオンは、スリット１４の板
面に当たって除かれる。

【００２６】２．イオン源からは、例えば３６ｃｍ径の
円形形状のイオンビームが、引き出し電圧に相当するエ
ネルギーを持って引き出される。この質量分離磁石は入
口と出口でビームの直径や形状が殆ど変わらないように
ビームを曲げる。出口側で３６ｃｍの直径があれば（ａ
＝１８ｃｍ）、３０ｃｍ径（１２インチ）のＳｉウェフ
ァにそのまま（無走査で）イオン注入できる。引き出し
電圧をＶ_exとすると、運動エネルギーはｑＶ_exである。
但し入り口と出口ではイオンビームが面対称になるよう
に反転している。磁場が一定とするとビームの描く半径
は一定である。入り口４で外側に入射したビームＵは出
口では内側に来るし、入り口で内側にあるビームＷは出
口で外側にくる。丁度中間の軌道Ｖはそのまま中間位置
にある。だからビームは入口と出口でほぼ面対称にちか
い配位になる。

【００２７】３．イオン源から引き出されたイオンビー
ムはマグネット列Ｍ₁ 、Ｍ₂ 、…、Ｍ_s によって曲げら
れる。所望のイオンのみが選別され試料３に入射する。
このシステムでは、ポールピース（マグネット）Ｍ₁ 、
…、Ｍ_s 内にビーム収束点ｍ（Ｍ_i （ｉ＝ｓ／２）の近
傍にできる）を設定し不要ビームをカットするようにな
っている。一つの磁石でなくて複数の磁石に分割するの
は、一様磁場でなくて局所的に変動する磁場を発生させ
るためである。それぞれの磁石によって異なる磁場を発
生できるので、収束性や発散性を自在に与えることがで
きる。ここでは収束性を与えるようにパラメータを決め
る。

【００２８】４．ここではマグネットのギャップｇをビ
ーム径である３６ｃｍを少し上回る程度（３８ｃｍ）に
設定する。マグネット（ポールピース）はｙ方向にＮ、
Ｓ極が対向するがその距離ｇが前記のビーム径より僅か
に大きいものとする。先ほどの円形断面ビームでは２ａ
＜ｇである。ビームが磁極に衝突しないためにこれは当
然の条件である。磁気回路の磁気抵抗を減らすために磁
極間距離ｇは狭い方がよい。そこでｇはビーム径を少し
上回る程度の距離とするのである。

【００２９】５．このマグネットのポールピースは複数
に分割されておりそれぞれのポールピースＭ₁ 、Ｍ₂ 、
…、Ｍ_s は異なる傾斜を持っている。この点が本発明の
最も工夫の存する点である。一様の半円磁場を作るので
はない。磁極の対向するｙ方向に磁場ができるが、磁極
が生成する磁場Ｂ_y は磁石によって少しずつ異なる。図
２にｘｙ面での断面図を示す。対向する対になった磁石
のコアＭ_j （Ｓ）、Ｍ_j （Ｎ）の周りにコイル１０、１
３が巻廻されている。コアＭ_j 、Ｍ_j は扇形のコアであ
る。これが強磁性体のヨーク１２によって接続されてい
る。コアＭ_j、Ｍ_j は平坦面でなく、傾斜面６、７を持
つ。傾斜面６、７の傾きは対になっている磁極間では同
じである。しかし他の磁極では傾きが異なる。傾きの他
に曲面εが形成してある。これも本発明で使用する磁極
の特徴である。εもビームも収束性に影響を及ぼす。

【００３０】通常のダイポール磁極は平坦面（ｎ＝０、
ε＝０）であるが、本発明では磁極が傾斜と曲率をも
つ。通常の平坦な磁極はｘ依存性のない一様磁場Ｂ₀ を
発生する。傾斜面は一次のｘ依存性を与える。曲面が二
次のｘ依存性を与える。ｓ個の扇形磁石は０次成分Ｂ₀
は同一であるが、一次成分ｎｘと二次成分εｘ² が異な
る。そうする事によって、本発明は大面積ビームに収束
性を賦与しているのである。ただに一様な磁場Ｂ_y では
収束性を与えることができず発散してしまう。

【００３１】６．この傾斜はｆｉｅｌｄ ｉｎｄｅｘと
呼ばれており以下の式によって定義する。簡単にいえば
軌道半径Ｒによって規格化したｘ方向の磁場の減少率で
ある。 ｎ＝−（１／ｈＢ₀ ）（δＢ／δｘ） （１） これが０であれば一様磁場であるから同じエネルギー質
量のビームは同じ半径Ｒの円弧を描く。これが０でない
ので同じエネルギー質量のイオンであっても入射点によ
って描く円弧の曲率半径ｒが相違する。円弧の外側に向
けてｘ軸を取っているから、ｎが負であると、外側へ行
くほどＢ_y が増加し、内側程Ｂ_y が減少する。外側に入
射したものはより小さい半径の円弧を描く。内側に入射
したものはより大きい半径の円弧を描くのである。ｎが
正であればその反対になる。

【００３２】７．ここでｈはビームラインの曲率であり
曲率半径Ｒの逆数である。一様磁場の場合ｑＢＲ＝ｍｖ
＝ｐという関係が成り立つ。ｍはイオン質量、ｖは速
度、ｐは運動量である。磁場の０次成分Ｂ₀ 、運動量ｐ
₀ によってｈは ｈ＝ｑＢ₀ ／ｐ₀ （２） と表現する事ができる。ｐ₀ は初期運動量である。磁場
によるファラディ力は速度の直角方向に働き、運動エネ
ルギーを増減させないから運動エネルギーは一定であ
る。つまり運動量ｐは一定値である。これをｐ₀ として
いる。引出電圧をＶ_exとすると、ｐ₀ ＝（２ｍｑＶ_ex）
^1/2 である。

【００３３】８． このｎがビームの収束を制御するパ
ラメータとなる。本発明においてはｓ個の傾斜凸面曲率
の異なる扇形磁石を合い接して並べ、それぞれによって
独自の磁場Ｂ_y を発生させている。ｎは軌道の外側（＋
ｘ）に向けた磁場Ｂｙの減少率であるから、負であると
外側ほど磁場が強く曲率半径が小さくなる。正であると
外側ほど磁場が弱くて、曲率半径が大きくなる。つまり
正にすると外側で外へ広がり、内側で内側に広がるつま
りビーム全体としてみると広がることになる。反対にｎ
が負であると、ビームが狭くなる。

【００３４】しかしそれが最終的なビームの形状に直接
に影響するのではない。ｓ個の扇形磁石のうち後半の磁
石でそのような事は正しいが、前半の磁石では反対にな
る。それは丁度半分のｓ／２個目の磁石において（図１
のｍ点）ビームが収束し反転するからである。前半にお
いて、拡開するような摂動は最終的には縮径させるよう
な摂動に変化する。

【００３５】９．ここで例示するマグネットの仕様を以
下に示す。曲率半径は各ブロックによって異なるがおよ
そ１００ｃｍである。全体としての構造は半径１００ｃ
ｍに沿うように配列してある。つまり１／ｈ₀ ＝１００
ｃｍに設定してある。表１にｓ＝１０の場合の各扇形磁
石の傾斜角とｎの値を示す。これはＴｒａｎｓｐｏｒｔ
というビーム軌道解析コードによって計算したものであ
る。

【００３６】

【表１】

【００３７】１１．上記のＡｎｇｌｅやｎの値は、ウェ
ファでのビーム特性が所定の条件にあうように膨大な解
析を行って初めて得られたものである。これは全偏向角
が１８０°でなくより大きい２１８°となっている。図
１１にこの実施例をより具体的に表す磁石配列を示す。

【００３８】１２．さらに今の場合、ビームが大口径で
あるためにビームの特性には収差が影響してくる。

【００３９】１３．ビームを追跡することとし、ある磁
石での入力側でのｘ座標、ｘ方向への傾き、ｙ座標、ｙ
方向への傾きなどを変数Ｘ_j によって表現する。入力で
のこれら変数の値をＸ_j （０）とし、出力側での値をＸ
_j （ｓ）とすると次の関係がある。 Ｘ_j （ｓ）＝ΣＲ_ijＸ_j （０）＋ΣΣＴ_ijk Ｘ_j （０）
Ｘ_k （０）（３） 第１項が磁場によるビームの曲げを意味する。扇形磁石
が十分に薄いと、このような線形関係だけで入口、出口
の変数の関係が決まる。しかし分割された扇形磁石はそ
れほど薄くないので入口、出口での座標に間には単純な
線形関係になく、座標の二次の項を含む。

【００４０】１４．上の式の第２項は収差を表す。その
収差を補正するためにポールピースの上下の面に曲面が
付与されている。ビーム光学系の分野ではεと呼ばれる
値で規定される。この値はビーム特性を満足できるよう
に選択された。これの値はTransport と呼ばれるビーム
軌道解析コードによって実施された。（ＲｅｐｏｒｔＳ
ＬＡＣ−７５Ｒｅｖ．２（１９７１））。

【００４１】これはビーム１本１本の軌道を全部計算す
る。すべての磁極の全ての位置において、マグネットの
強さＢ_y がわかるから、ここでビームが描く円弧半径ｒ
を求める事ができる。速度ｖは不変であるから円弧の半
径ｒは磁場に反比例する。ｒ＝ｍｖ／ｑＢである。ビー
ムの境界Ｆ₁ 、Ｆ₂ 、…、Ｆ_s ではビームの位置と傾き
が連続するという条件を課す。このような境界条件によ
ってビーム軌跡を求めることができる。実際にはＢがｘ
の１次、２次で変動するので解析的な計算はできない。
前記のビーム解析コードによりコンピュータによってか
なり膨大な計算をして求められる。

【００４２】１５．入口でのビームは円形断面で半径が
１８ｃｍ、広がり角が１０ｍｒ（ミリラジアン）と仮定
した。そのビームが本発明の磁石列によってどうなるの
かを計算した。表１のパラメータを採用した二次までの
要素を考慮した計算によるとマグネットから５０ｃｍ下
流のウェファでのビーム特性は次のようになった。 Ｘ ＝１８ｃｍ Ｘ’＝２０ｍｒ Ｙ ＝１８ｃｍ Ｙ’＝２０ｍｒ ここでｚ軸はビーム流れの方向に取ってあり、ｘ軸、ｙ
軸はビーム流れと直交する２軸である。ビームのｘ軸方
向の半径がＸ（ｃｍ）、ビームのｘ軸方向の広がり角が
Ｘ’（ミリラジアンｍｒ）である。ビームのｙ軸方向の
半径がＹ、ｙ軸方向の広がり角がＹ’である。

【００４３】入口でｘ方向にもｙ方向にも半径１８ｃｍ
であった円形ビームが、出口ではｘ方向及びｙ方向でほ
とんど変わない。また広がり角もｘ方向、ｙ方向ともに
０．０２ラジアン程度で僅かである。ｘｙ二方向ともに
２０ｃｍ以上の直径を持つビームである。例えば直径２
０ｃｍ或いは３０ｃｍ（８インチ、１２インチ）ウエハ
の全面に、走査することなしに、イオン注入を行うこと
ができる。この特性はビーム軌道解析をさらに実施する
ことによって修正可能である。

【００４４】１６．この特性では、イオンビームの直径
が二方向ともに８インチウェファ、１２インチウエファ
の直径（Ｗ＝２０ｃｍ、３０ｃｍ）より大きい（２Ｘ＞
Ｗ，２Ｙ＞Ｗ）ので、ビームを走査しなくてもウェファ
全体にイオンビームを照射できる。単にウェファを中心
周りに回転させるだけでよい。これは注入の均一性を高
めるためであって、走査しているのではない。

【００４５】１７．ここでいままでに説明してきた磁石
のｙ方向磁場強度Ｂ_y の表現を以下に示しておく。この
種の問題に関しては、Ｗｈｉｔｅらが明快に説明してい
る。Nicolas R. White and Kenneth H. Purser,"The de
sign of magnets with non-dipole field components",
Nuclear Instruments and Methods in Physics Resear
ch A258 (1987)437-442. これは平坦面を持つダイポー
ル磁石が一様磁場を形成し、四重極（quadrupole）がｘ
の一次成分ｂｘをあたえ、六重極（sextupole ）がｘの
二乗成分を与えるといい、これらの和の磁場はダイポー
ル磁石の端面に傾斜をつけ凹凸を付けることによって実
現される、と述べている。つまりダイポール（二重極）
と四重極、六重極を加えたものと等価な磁場を凹凸傾斜
面のダイポール磁石によって生成できるというものであ
る。

【００４６】１８．本発明はそのような異方性があるダ
イポール磁石を扇形磁石として採用する。何れもｙ方向
の磁場Ｂ_y をつくるがこれは、 Ｂ_y ＝Ｂ₀ ｛１−（ｎｘ／Ｒ）＋（βｘ² ／Ｒ² ）＋…｝ （４） と表現できる（βＲ^-2＝ε）。ｎが前記のｆｉｅｌｄ
ｉｎｄｅｘである。Ｒは一様磁場Ｂ₀ での所望ビームの
曲率半径である（ｑＢ₀ Ｒ＝ｐ₀ ）。右辺１項目Ｂ₀ が
一様磁場成分で平坦なダイポールによって発生すること
ができる。二項目のｘの一次依存性の項が四重極磁石に
よって作られる。３項目のｘの２乗の項が六重極によっ
て形成される。これら３つの磁石の寄与の和を、傾斜曲
面の磁極によって作り出す事ができる。ｘの一次の項は
大面積イオンビームの収束性の向上のために利用する。
ｘの二次の項は収差の補正のために用いる。

【００４７】１９．実際にはコンピュータによって軌道
を一つ一つ計算するのであるが、それでは直観的になに
をしているのか分からない。表１の数値は一つの実施例
を示すものであって、本発明の技術思想の全てを表現し
ているのではない。そこで以下に本発明の質量分析マグ
ネットによってどのようにビーム軌道のひとつひとつが
曲げられるのか直観的な説明をする。直観的な計算、説
明であって厳密ではない。しかし磁極の傾きｎ（FIELD
INDEX ）の作用を直観的に理解することができよう。図
６は磁場が一様と仮定した時の実際の半円軌道である。
イオンビームの半径は全て一定値Ｒをとる。これはｑＢ
₀ Ｒ＝ｐ₀ で決まる。ｐ₀ は運動量、Ｂ₀は磁場の零次
成分である。この磁場を基本磁場Ｂ₀ 、そのときの半径
を基本半径Ｒということにする。流れの方向にｚ軸をビ
ームを含む平面に平行でビームに直角にｘ軸を外向きに
取る。ｙ方向に磁極が配置されるものとする。

【００４８】図６において中心ビームＶと、その左側の
ビームＵ、右側のビームＷを考える。ビーム半径はａで
あるから、入口でＵはＶより左にａだけ離れ、ＷはＶよ
り右にａだけずれている。基準磁場が全体に掛かってい
る場合、どのビームも入口でＦ₀ に直角で基準半径Ｒを
描くので、出口でも、左ビームＵは中心ビームＶより左
にａ離れ、右ビームＷは右にａ離れている。ｚ軸はビー
ムＶ上に取ってある。この中心ビームは中心Ｏから半径
Ｒの半円を描く。これが基準のｚ軸である。ｓ個の磁極
（ポールピースは半円（π）を描くので磁極中心角はπ
／ｓである。ｊ番目の境界Ｆ_j は基線ＯＦ₀ からｊπ／
ｓの角度にある。基線ＯＦ₀ から角度φをなす点での軌
跡Ｕの中心Ｏからの距離ＯＵ（φ）は ＯＵ（φ）＝Ｒ＋ａｃｏｓφ−ａ² ｓｉｎ² φ／２Ｒ （５） によって表現できる。

【００４９】すると軌道Ｖに沿って定義したｚ軸からの
ずれｘ（φ）はこれから基準半径Ｒを差し引いて、 ｘ（φ）＝ａｃｏｓφ−ａ² ｓｉｎ² φ／２Ｒ （６） である。φがほぼπ／２以下で正、それより大きいと負
になるが、それはｍ点で収束性と、そこでのビーム反転
を表している。図１や図６で収束点ｍで僅かなビームの
偏りが現れるがこれは（６）式の右辺の第２項から来て
いる。

【００５０】さてｊ番目の磁極Ｍ_j では、平均 φ_j ＝（ｊ−０．５）π／ｓ （７） の値を取るから、ビームＵがＭ_j 中ではｘ座標は大体 ｘ（φ_j ）＝ａｃｏｓφ_j −ａ² ｓｉｎ² φ_j ／２Ｒ （８） の値を取る。

【００５１】さてｎ値はＢ_y のｘに関する一次依存性を
与えるが、それは半径ｒのＲからの相違として現れる。
図１０によってそれがｘ座標の違いと、方位にどのよう
に影響するかを示そう。点Ｏを中心として基準半径Ｒの
円弧ＥＦが基準軌道Ｖである。ＯＥ、ＯＦが境界Ｆ_j 、
Ｆ_j+1 を示す。初期点Ｅが同一で半径ｒのビームが辺Ｏ
ＦのＧ点と交差するとする。扇形磁極内での基準円はＯ
Ｆであり中心角はθである。半径ｒのビームはＥＧと進
む。基準ビームよりＦＯだけ内側に変位する。変位をδ
ｘとすると、δｘ＝−ＦＧである。また角度は基準ビー
ムよりも（θ−φ’）だけ下側に傾く。変位角δΨはδ
Ψ＝θ−φ’によって定義される。

【００５２】このビームの中心をＱとすると、ＱＥ＝Ｇ
Ｑ＝ｒであるし、ＯＥ＝ＯＦ＝Ｒであるから、一時近似
の範囲で Ｒθ＝ｒφ’ （９） である。また ＥＫ＝ｒ（１−ｃｏｓφ’） （１０） ＥＨ＝Ｒ（１−ｃｏｓθ） （１１） ＦＧ＝ＨＫｓｅｃθ （１２） である。

【００５３】変位角δΨと変位δｘは δΨ＝Ｒθ（ｒ^-1−Ｒ^-1） （１３） δｘ＝（Ｒ² θ² ｓｅｃθ／２）（ｒ^-1−Ｒ^-1） （１４） によって与えられる。磁束密度Ｂと半径ｒの積はｐ₀ ／
ｑでありmagnetic rigidity というがこれは一定であ
る。だから、磁束密度の傾きｎを持つ部分に対しては曲
率半径ｒとの積Ｂｒが基準磁場と基準半径の積に等しい
はずである。 Ｂ₀ （１−ｎｘ／Ｒ）ｒ＝Ｂ₀ Ｒ （１５）

【００５４】これから ｒ^-1−Ｒ^-1＝−ｎｘＲ^-2 （１６） これを（１３）と（１４）に代入して、一つの磁極での
変位角δΨと変位δｘは δΨ＝−ｎｘθ／Ｒ （１７） δｘ＝−ｎｘθ² ｓｅｃθ／２ （１８）

【００５５】このなかでｘとｎは磁極による値であるか
ら実際にはサフィックスｊが付く。δΨの総和を取ると
全磁極の作用を集めた出口での変位角ΔΨが求められ
る。 ΔΨ＝−Σｎ_j ａθｃｏｓφ_j ／Ｒ （１９） ここでΣは磁極ｊの全てについて和を取るということで
ある。

【００５６】全変位ΔｘはΔφによるビーム傾きが（π
−φ）の重みをもって相加える事によって得られる。 Δｘ＝ΣδΨ_j （π−φ_j ）Ｒθ （２０） ＝−Σｎ_j ａθ² ｃｏｓφ_j （π−φ_j ） （２１）

【００５７】ΔΨは入口で中心からｘ方向にａだけ左に
ずれたビームＵの出口でのｚ軸からのズレの角度であ
る。同様にΔｘは入口で中心からｘ方向にａだけ左にず
れたビームＵのｘ＝−ａ（一様磁場の場合）からのズレ
変位である。

【００５８】これはビームＵが不均一磁場でどのように
変位するのかを示す。ビームＷの場合はａを−ａに置き
換えれば良い。ＵＶの中間のビームの場合はａを、中間
ビームからの距離ｃによって置き換えれば良い。である
から（１９）と（２０）によって、入口において中心ビ
ームＶから任意の距離離れていたビームの出口での位置
と角度を求めることができる。

【００５９】もちろんこれは第１近似にすぎない。実際
にはindex ｎの２次や３次の項も含まれる。より高次の
項を含んだ解析的な議論もできるが、直観性に欠けるの
でここでは最低次の近似によって傾斜磁場−ｎｘ／ＲＢ
₀ の効果を直観的に説明しているのである。これだけで
傾斜磁場の影響をかなり的確に直観的に把握する事がで
きる。出口でのビームの傾きΔΨがビームの収束性を直
接に表現している。この式は、ｊ番目の磁極の磁場勾配
ｎ_j にビームのｚ軸からのズレａｃｏｓφ_j を掛けてそ
れ以後の経路長さ（π−φ_j ）を掛けるということであ
る。ｃｏｓφがπ／２で符号が変わるので、磁場勾配ｎ
の効果が中間点ｍで反転するということがはっきりと分
かる。

【００６０】図６、図７、図８は同じものを表現した経
路図であるが、ｎが正の場合の軌道のズレを小さい矢印
によって示している。図６を直線化したものが図７であ
る。図６、図７においてｎが正の場合、どこにおいても
ビームは外側にずれる。ところがｍ点でビームは内外反
転するから、前半で外側に偏奇したものは結局内側への
偏奇に寄与することになる。図８はこれを意味する。Ｍ
₁ での内向きの偏奇は正のｎによってもたらされるもの
である。このようなｎの意味の反転はｃｏｓφという因
子によって端的に表現されている。質量分析マグネット
２の入口（或いは入口以前の任意の位置）、出口（或い
は出口以後の任意の位置）において、ビームのｘ方向の
広がり、ｘ方向の傾きなどを指定すると、これにふさわ
しい各磁極の傾斜ｎを上記の式によって求めることがで
きる。実際には前述のようにＴＲＡＮＳＰＯＲＴという
コードを使いコンピュータによって計算する。入口出口
でのｘ方向広がり、傾き、ｙ方向広がり、傾きを与える
ことによって、ｓ個の磁極の傾斜ｎや、収差補正の凹凸
εの値を決めることができる。実施例では、入口での特
性値をＸ＝１８ｃｍ、Ｘ’＝１０ｍｒ、Ｙ＝１８ｃｍ、
Ｙ’＝１０ｍｒとし、ウエファ位置でのビ−ム特性値
を、Ｘ＝１８ｃｍ、Ｘ’＝２０ｍｒ、Ｙ＝１８ｃｍ、
Ｙ’＝２０ｍｒと仮定した。

【００６１】

【実施例】図３は本発明の実施例にかかるマグネット群
によって直径３６ｃｍのイオンビームを曲げた場合のｙ
方向のビーム広がりを流れ方向（ｚ方向）に沿って示す
図である。図４はｘ方向のビーム広がりを流れ方向に沿
って示す図である。図５は流れ方向の同じビームの広が
りを示す斜視図である。マグネット群は１０個の扇形磁
石を２１８度の中心角をなすように並べたものである。
１０個の磁石には、表１のようなＡｎｇｌｅ、ｎ値を与
えている。これは膨大な計算をして求めたものである。

【００６２】実際にはビームはマグネットによって半円
弧を描く軌道を進行するのであるが、ここでは流れを直
線化（ｚ軸に沿って）して示した。黒い部分がマグネッ
トである。マグネットは＋ｙ、−ｙの方向（ｙ＝±１９
ｃｍ±δ）にある。磁場はｙ方向に生ずる（Ｂ_y ）。ｚ
軸の３０ｃｍ〜４１０ｃｍの範囲に磁石が設けられる。
磁石間での軌道の中間点は大体ｚ＝２１０ｃｍである。
ｙ方向（上下方向）のビーム広がりは、初め直径が３６
ｃｍの略平行ビームであったが、磁石のギャップを通過
する間だいたい４０ｃｍ以下を維持する。上下方向のビ
ーム広がりはあまり変わらない。マグネットによる磁場
成分はＢ_y 、Ｂ_x であるが、強いのはＢ_y でＢ_x は極弱
いからビームはｙ方向にあまり力を受けない。だから初
め平行ビームであればその後も平行性をほぼ保持して最
後まで平行なビームになる。しかし図３にも僅かに窺え
るがｙ方向には出口側で少し縮小している。Ｂ_x による
収束作用が働いている。これは磁極のｘ方向の凹凸によ
る収束作用である。

【００６３】しかし主成分はＢ_y でありビームはｘ方向
に磁場の力を受ける。であるからｘ方向にはかなり大き
い変化をする。図４はｘ方向のビームの広がりのｚ軸に
沿う変化を示す図である。ｘ方向にビームの受ける力は
ｖｑＢ_y （ｖはビーム速度）である。これによってイオ
ンビームは軌道半径Ｒに沿って曲がる。マグネット間の
軌道の中間点でビームが収束している。

【００６４】これは一様磁場の場合でも起こり得ること
である。同じエネルギーであれば一様磁場中で同じ半径
の軌道を描いて荷電粒子が曲がってゆく。約２２０゜
（実施例の場合）曲がるようなビームであるから、初め
もっと内側において磁石間に入射したものは最も外側に
出るし（図１、図６、図１１のＷ）、最も外側に入射し
たものは最も内側に出る（図１、図６、図１１のＵ）。
だから丁度、磁石間軌道の半ばで同じエネルギー、同じ
質量の荷電粒子はｘ方向に収束する。ｍ点（ｚ＝２１０
ｃｍ）の辺りでの収束はそれに基づくものである。質量
分離のために図６に示すように収束点ｍのあたりにスリ
ット１４を設けると良い。

【００６５】

【発明の効果】

１．大口径のイオンビームをイオン源で発生し、大口径
のままウェファに照射する。イオンビーム面積がウェフ
ァより広いので、ウェファはｘ方向にもｙ方向にも走査
する必要がない。ビームも走査する必要がない。ビーム
走査機構が不要である。ウェファの駆動機構が従来の回
転運動と並進運動の組み合わせでなくて単純な回転運動
だけになる。ウェファ支持機構（エンドステーション）
の駆動機構が単純化されるので装置のコストダウンが可
能となる。

【００６６】２．ビームやウェファを走査する時間が不
要である。短時間でウェファ全体にイオン注入ができ
る。イオン注入のスループットが著しく向上する。

【００６７】３．質量分析されたイオンビームがウェフ
ァに照射される。質量分析をしない大口径イオン源方式
に比べて不純物が混入する可能性が少ない。所望のイオ
ン種のみを注入することができる。これは極めて優れた
特徴である。ボロンをドープする場合例えばジボランを
使うと、水素イオンが大量にできる。質量分離をしない
と水素も試料に注入されてしまう。そのために試料（例
えばＳｉウェファ）の温度が上がり過ぎる。過熱によっ
て既に作られたデバイスが破壊されるおそれがある。ウ
ェファのサセプタには冷却機構を設けるが冷却能力に限
りがあるので、イオン注入のスループットを制限する。
本発明は質量分離をするので不要イオンの注入を防ぎ、
試料の過熱を防ぐことができる。

【００６８】４．大面積基板を動かさずにイオン注入し
ようとすると、従来はイオンビームの磁場スキャンなど
の複雑な構成要素が必要であった。しかし本発明のマグ
ネットには質量分析機構と、ビーム収束機構の両方が具
備されている。このため１台のマグネットによってビー
ム光学系を構成することができる。

【００６９】５．マグネット出口におけるビームはおお
むね平行である。このため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。そのために真空中のガス
分子にイオンビームが衝突して中性粒子が発生するのを
抑制することができる。

【００７０】６．ウェファでのビーム分布をモニタする
ことにより、イオン源の強度分布を積極的に変えるよう
にすることができる。そうするとウェファを回転しなく
ても注入均一性を確保することができる。このためには
フィラメント型のイオン源であれば、フィラメントの熱
電子放出量を制御する。従来は質量分析ができなかった
ので不純物発生の少ないプラズマ方式のイオン源を用い
ざるを得なかった。プラズマ方式であると、ビーム強度
を時間的に変動させることは難しいからそのようなこと
は不可能であった。本発明は質量分析をするので、不純
物が混ざり易いフィラメントイオン源を使う事ができ
る。フィラメントから不純物が出るが、質量分析するの
で不純物は除去される。フィラメントイオン源はビーム
強度を制御できるからそのようなことが可能になる。イ
オン源強度を制御して、注入均一性を向上させるという
ようなことは、本発明が初めて成し得たことである。
７．ウェファ周辺に設けられたビームモニタによりビー
ム異常が検出されると、分析スリット部に設けられたビ
ームシャッタを閉じることによって、直ちにビームを遮
断することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のイオン注入装置の概略平面図。

【図２】本発明のイオン注入装置の概略断面図。

【図３】イオンビームの軌跡に沿った円軌道を直線に直
してマグネットの存在するｙ方向のビーム広がりの様子
を示す図。

【図４】イオンビームの軌跡に沿った円軌道を直線に直
してマグネットの存在する方向と直交するｘ方向のビー
ム広がりの様子を示す図。

【図５】イオンビームの軌跡に沿った円軌道を直線に直
して経路に沿ったイオンビームの広がる様子を示す斜視
図。

【図６】半円磁石によってイオンビームを半円軌道に沿
って曲げた時の経路を示す原理図。

【図７】ビームの半円軌道を流れの方向に取った直線に
直して入口から入ったビームが交差して出口に至ること
を説明する変形座標図。

【図８】ビームの入口側を反転して半円軌道を平行な直
線に直してビームを平行線によって表現した変形座標
図。

【図９】１０個の分割磁極が並んでおり図８のような平
行直線座標において一つのビームが磁極の磁場によって
紆余曲折することを説明する図。

【図１０】一つの扇形ポールピース（磁極）において基
準円弧Ｒから半径が僅かにずれた円弧を描くビームがそ
の磁極の終端で、基準円弧からどれだけ距離角度が異な
るのかを示す図。

【図１１】表１にパラメ−タを示す実施例の磁石配置と
ｎ＝０とした無摂動ビ−ムの軌跡を示す平面図。磁石数
は１０個で全偏向角は２１８°である。

【符号の説明】

１ イオン源 ２ 質量分析マグネット ３ ウェファ ４ 質量分析マグネット入口 ５ 質量分析マグネット出口 ６ 湾曲傾斜面 ７ 湾曲傾斜面 ８ 試料支持機構 １０ 磁極のコイル １１ 大口径イオンビーム １２ ヨーク １３ 磁極のコイル １４ スリット Ｍ₁ 〜Ｍ₁₀ 扇形磁極（ポールピース） Ｏ 円弧状質量分析マグネットの中心 ｍ ビーム収束点 Ｕ 入口の最も外側から質量分析マグネットに入り出口
の最も内側でマグネットから出るビーム Ｖ 入口中央部から質量分析マグネットに入り中心を通
って出口中央部から出るビーム Ｗ 入口の最も内側から質量分析マグネットに入り出口
の最も外側でマグネットから出るビーム

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直交２方向に広がりをもつ大面積のイオ
   ンビ−ムを生成するイオン源１と、湾曲傾斜面を持つ複
   数の扇形対向磁極Ｍ₁ 、Ｍ₂ 、…、Ｍ_s を円弧状に配列
   した質量分析マグネット２と、試料３を支持する試料支
   持機構８よりなり、イオン源１から出た大面積イオンビ
   −ムを質量分析マグネット２の入口４に入射させ質量分
   離し出口５から出た直交２方向に試料３以上の広がりを
   もつ大面積イオンビ−ムを、走査しないで、試料３に照
   射するようにした事を特徴とするイオン注入装置。
2. 【請求項２】 質量分析マグネットの扇形対向磁極Ｍ
   ₁ 、Ｍ₂ 、…、Ｍ_s の傾斜を示すｎ値と、湾曲を表すε
   の値を磁極毎に異なる値を与えて、大面積のイオンビ−
   ムが中間点の磁極近傍のｍ点で磁場方向に直交するｘ方
   向に収束し、磁場方向のｙ方向には発散しないようにし
   た事を特徴とする請求項１に記載のイオン注入。
3. 【請求項３】 質量分析マグネットの扇形対向磁極Ｍ
   ₁ 、Ｍ₂ 、…、Ｍ_s の分割数ｓは１０である（ｓ＝１
   ０）ことを特徴とする請求項２に記載のイオン注入装
   置。
4. 【請求項４】 質量分析マグネットの中間点の磁極近傍
   のｘ方向収束点にスリット１４を設け不要イオンビ−ム
   をスリット１４に衝突させることによって排除した事を
   特徴とする請求項３に記載のイオン注入装置。
5. 【請求項５】 質量分析マグネットの各ピースはビーム
   の収差を補正するために曲面を持つ事を特徴とする請求
   項４に記載のイオン注入装置。
6. 【請求項６】 試料支持機構８はイオン注入均一性を向
   上させるため試料３を回転させるようにしたことを特徴
   とする請求項５に記載のイオン注入装置。