JPH10302707A - Ion implantation device - Google Patents

Ion implantation device

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JPH10302707A
JPH10302707A JP12311097A JP12311097A JPH10302707A JP H10302707 A JPH10302707 A JP H10302707A JP 12311097 A JP12311097 A JP 12311097A JP 12311097 A JP12311097 A JP 12311097A JP H10302707 A JPH10302707 A JP H10302707A
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ion
yoke
ions
ion beam
wafer
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Masahiko Aoki
正彦 青木
Koji Matsuda
耕自 松田
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Nissin Electric Co Ltd
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Nissin Electric Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ion implantation device which can exclude a light ion including only a hydrogen element and can implant all other ions in a wafer in the case of using hydrogen compound gas as source gas. SOLUTION: This ion implantation device comprises: an ion source which produces a long ion beam having a smaller width 2a larger length T, a diameter of an object sample 6; a longitudinal yoke 10 having a passage of a longitudinal ion beam; main coils M1, M2 wound on the middle of the yoke 10; first auxiliary coils A1, A2 wound on the middle of the yoke 10; first auxiliary coils A1, A2 wound on one of the ends of the yoke 10, in line with the main coils M1, M2; and second auxiliary coils B1, B2 wound on the other end of the yoke 10, in line with the main coils M1, M2. Further, this device comprises: a long mass analysis magnet which generates a magnetic field in a longitudinal direction of longer side of the ion beam passage; and a shutter which shuts a light ion separated by the mass analysis magnet; a sample maintaining structure which maintains the sample so that the ion beam of ions other than the light ion separated by the mass analysis magnet may be implanted therein and which moves the sample to a direction orthogonal to the longitudinal direction of the ion beam. The magnetic field in the longitudinal direction is uniformly distributed in the longitudinal direction by controlling a ca coil current.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウェファ、
ガラス基板などのような大型の加工品に、大電流イオン
注入を実現するためのイオン注入装置に関する。Siウ
ェファの場合は、ボロン、リン、ヒ素などp型、n型不
純物をドープするためにイオン注入することが多い。ス
ループットを上げるために、一様な注入分布でしかも高
速でドープする装置が望まれる。さらに水素イオンなど
が注入されると温度が過度に上がるなどの悪影響がある
から水素イオンなどを除去することが望ましい。
The present invention relates to a semiconductor wafer,
The present invention relates to an ion implantation apparatus for realizing high-current ion implantation into a large workpiece such as a glass substrate. In the case of a Si wafer, ions are often implanted to dope p-type and n-type impurities such as boron, phosphorus, and arsenic. In order to increase the throughput, a device for doping with a uniform implantation distribution and at a high speed is desired. Further, implantation of hydrogen ions or the like has an adverse effect such as an excessive rise in temperature. Therefore, it is desirable to remove hydrogen ions or the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の大電流イオン注入装置は大別して
ふたつの種類がある。ひとつは、細い(0次元の広が
り)高密度のイオンビームを扇形マグネットによって質
量分析し所望のイオン種のみを、回転並進運動する回転
ターゲットに戴置されている加工品(ウェファ)に照射
するものである。細いイオンビームであるから扇形磁石
によって質量分離するのは簡単である。しかしビーム自
体は広がりを持たないので、ウェファの全面に照射する
ために、ウェファを並進、回転させる必要がある。ウェ
ファを支持するエンドステーション側で2次元的にウェ
ファを動かす必要がある。
2. Description of the Related Art Conventional large current ion implanters are roughly classified into two types. One is to analyze a thin (zero-dimensional spread) high-density ion beam by mass spectrometry using a sector magnet and irradiate only the desired ion species to a workpiece (wafer) placed on a rotating target that rotates and translates. It is. Since it is a thin ion beam, it is easy to separate the mass by a sector magnet. However, since the beam itself has no spread, it is necessary to translate and rotate the wafer to irradiate the entire surface of the wafer. It is necessary to move the wafer two-dimensionally at the end station supporting the wafer.

【0003】もうひとつは大口径のイオン源から大口径
イオンビームを引き出し質量分析せずにウェファに照射
するものである。ウェファの直径をWとし、イオン源か
ら引き出されたイオンビームの直径をDとする。D>W
の大口径のイオンビームを発生させるので、ウェファを
走査する必要がない。
Another method is to extract a large-diameter ion beam from a large-diameter ion source and irradiate the wafer without mass analysis. The diameter of the wafer is W, and the diameter of the ion beam extracted from the ion source is D. D> W
Since the large-diameter ion beam is generated, there is no need to scan the wafer.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】[Problems to be solved by the invention]

1.回転ターゲットを用いる方式では、細い0次元ビー
ムを発生させるのでビーム光学系は単純である。しかし
回転並進を行わせなければならないエンドステーション
の構造は複雑である。ウェファを戴置したディスクは高
速回転と、イオンビーム電流に比例しビーム位置に反比
例するような並進速度制御を行わなければならない。又
ウェファでのビーム電流密度が高くなるとウェファのチ
ャージアップ現象が著しくなる。チャージアップは、正
または負のイオンビームを注入したとき電荷が逃げず、
電荷がウェファなどの表面に蓄積される現象である。こ
れによってウェファの表面のデバイスが破壊されること
もあり望ましくない。現在大口径ウェファにイオン注入
する方法として、現実的に利用されているのはこの回転
ターゲット方式であるが、このような欠点がある。
1. In the method using a rotating target, a thin 0-dimensional beam is generated, so that the beam optical system is simple. However, the structure of the end station which must perform the rotational translation is complicated. The disk on which the wafer is mounted must perform high-speed rotation and translation speed control in such a manner as to be proportional to the ion beam current and inversely proportional to the beam position. When the beam current density at the wafer increases, the charge-up phenomenon of the wafer becomes significant. Charge-up means that charge does not escape when positive or negative ion beam is implanted,
This is a phenomenon in which electric charges are accumulated on a surface such as a wafer. This can destroy the devices on the surface of the wafer, which is undesirable. At present, this rotary target method is actually used as a method for ion implantation into a large-diameter wafer, but has such disadvantages.

【0005】2.大口径イオン源非質量分離方式はビー
ム光学系はイオン引き出し系だけであるあるから装置構
成はいっそう単純である。エンドステーションの構造も
単純である。しかし大口径イオンビームは質量分析する
ことができないので、所望イオン以外のイオン種も区別
されずウェファに注入されてしまう。不純物イオンの注
入によって所望の特性が得られない事がある。さらにイ
オンでなく分子の形でも注入されるので注入深さ分布が
プラズマの状態によって変化する。注入深さが一定しに
くいのでデバイス特性が一定しにくいという難点もあ
る。
[0005] 2. Since the beam optical system of the large-aperture ion source non-mass separation system is only an ion extraction system, the apparatus configuration is much simpler. The structure of the end station is also simple. However, since a large-diameter ion beam cannot be subjected to mass analysis, ion species other than desired ions are implanted into the wafer without being distinguished. Desired characteristics may not be obtained by implantation of impurity ions. Further, since the ions are implanted not only in the form of ions but also in the form of molecules, the implantation depth distribution changes depending on the state of the plasma. Since the implantation depth is difficult to be constant, there is also a disadvantage that device characteristics are difficult to be constant.

【0006】後者に関しては、例えば、ボロンの注入を
行う場合、ジボラン(B26 )が原料ガスとして用い
られる。この際ボロンとともに水素イオンもウェファに
注入される。注入された水素は高速であるからゲート酸
化膜を突き抜けチャンネル層にまで注入される場合があ
る。これがゲート電極下方でのチャンネルに格子欠陥を
生じさせることがある。イオンエネルギーは全て熱に変
換されるが所望のイオン種以外のイオン(例えば水素イ
オン)が注入されるとそれによって試料が過熱されてし
まう。温度上昇によって試料上のデバイスが破壊される
惧れがある。
For the latter, for example, when boron is implanted, diborane (B 2 H 6 ) is used as a source gas. At this time, hydrogen ions are implanted into the wafer together with boron. Since the implanted hydrogen has a high speed, it may penetrate through the gate oxide film and be implanted into the channel layer. This can cause lattice defects in the channel below the gate electrode. All of the ion energy is converted to heat, but if ions other than the desired ion species (for example, hydrogen ions) are implanted, the sample will be overheated. The device on the sample may be destroyed by the temperature rise.

【0007】3.大口径イオン源方式の難点はそれだけ
ではない。8インチウェファや12インチウェファとい
った大面積の基板にイオン注入しようとする場合、ウェ
ファ面上いたるところで数%以内の注入均一性が要求さ
れる。このような大面積でビームの密度均一性あるイオ
ン源を実現するのは至難の技である。大口径イオン源は
現在のところ注入均一性要求の厳しくない小面積のウェ
ファにしか使えない。
[0007] 3. The disadvantage of the large-diameter ion source system is not only that. When ion implantation is to be performed on a large-area substrate such as an 8-inch wafer or a 12-inch wafer, implantation uniformity within several percent is required everywhere on the wafer surface. It is extremely difficult to realize an ion source having such a large area and uniform beam density. Large diameter ion sources can currently only be used for small area wafers with less demanding implantation uniformity.

【0008】4.質量分析しないイオン注入法としてさ
らに、PIII法(Plasma ImmersionIon Implantation
)というものが提案されている。Shu Qin and Chung C
han,"Plasma immersion ion implantaion doping exper
iments for microelectronics", J.Vac.Sci.Technol. B
12(2), (1994) p962 。これはSiウェファをプラズマ
中にさらし、ウェファに負の電圧を印加することによっ
てシース領域でイオンを加速しウェファに注入する方法
である。イオンビームを引き出すのにシース電圧を使っ
ているので引出電極が不要である。多くの場合、不純物
は電極がスパッタリングされたものである。この方法で
は電極から発生する不純物の混入の可能性がない。だか
ら質量分析をしなくても良いというわけである。
[0008] 4. As an ion implantation method without mass spectrometry, PIII method (Plasma ImmersionIon Implantation)
) Has been proposed. Shu Qin and Chung C
han, "Plasma immersion ion implantaion doping exper
iments for microelectronics ", J.Vac.Sci.Technol. B
12 (2), (1994) p962. This is a method in which a Si wafer is exposed to plasma, ions are accelerated in a sheath region by applying a negative voltage to the wafer, and injected into the wafer. Since the sheath voltage is used to extract the ion beam, no extraction electrode is required. Often, the impurities are sputtered electrodes. In this method, there is no possibility that impurities generated from the electrodes are mixed. Therefore, it is not necessary to perform mass spectrometry.

【0009】しかし原料ガスが含む元素から出る不要イ
オンを除く事はできない。前記のボロンドーピングの場
合は、原料ガスとしてジボランを使うが、水素イオンが
ウェファに注入される。水素イオンもボロンイオンも同
じ加速エネルギーを持つ。水素イオン注入によってウェ
ファが過熱される。スループットを上げるために注入時
間を短縮すると水素注入による温度上昇が著しくなる。
だから注入時間を余り短くできない。ウェファ1枚に、
10分掛かって1.9×1015cm-2の密度のイオン注
入をした事が報告されている。これではスループットが
低すぎる。1枚1分以内でイオン注入したいものであ
る。実際この方法は実用化されていないようである。
[0009] However, it is not possible to remove unnecessary ions from elements contained in the source gas. In the case of the boron doping, diborane is used as a source gas, and hydrogen ions are implanted into the wafer. Both hydrogen ions and boron ions have the same acceleration energy. The wafer is overheated by the hydrogen ion implantation. If the implantation time is shortened to increase the throughput, the temperature rise due to hydrogen implantation becomes significant.
Therefore, the injection time cannot be shortened too much. To one wafer,
It is reported that ion implantation at a density of 1.9 × 10 15 cm −2 took 10 minutes. This results in too low throughput. I want to implant ions within one minute. In fact, this method does not appear to be practical.

【0010】5.これまでに、0次元ビーム(断面が
点)のビームを質量分析し二次元走査されるウェファに
ビーム注入する方法と、大口径の2次元ビーム(断面が
広い円形)のビームを質量分析しないで静止したウェフ
ァに注入する方法と、イオン源を使わずプラズマ中のウ
ェファにイオン注入するPIII法とを説明した。2番
目の大口径イオンビーム法において質量分析できれば問
題は解決されるはずである。しかし大口径ビームを質量
分析しようとする試みはいまだ実現していない。
[0010] 5. So far, a method of mass analyzing a beam of a 0-dimensional beam (point in cross section) and injecting the beam into a two-dimensionally scanned wafer has been described. The method of implanting the wafer into the stationary wafer and the PIII method of implanting the ion into the wafer in the plasma without using the ion source have been described. The problem should be solved if mass spectrometry can be performed in the second large-diameter ion beam method. However, no attempt has been made to mass analyze a large beam.

【0011】質量分離をして水素などの軽元素を除去す
ることのできるイオン注入装置を提供することが本発明
の第1の目的である。同じ元素をドープする事ができる
異種イオンもイオン注入できるようにしたイオン利用率
の高いイオン注入装置を提供することが本発明の第2の
目的である。スループットの高いイオン注入装置を提供
することが本発明の第3の目的である。
It is a first object of the present invention to provide an ion implantation apparatus capable of removing light elements such as hydrogen by mass separation. It is a second object of the present invention to provide an ion implantation apparatus having a high ion utilization rate capable of implanting different ions which can be doped with the same element. It is a third object of the present invention to provide an ion implantation apparatus with high throughput.

【0012】第1の目的と第2の目的は共通するものが
ある。原料ガスがプラズマになると多様なイオンが生成
されるが、ある元素を含むものであればそれら全部をイ
オン注入してガスを有効に利用することを目指すのであ
る。ただ水素だけを含む軽イオン(H+ 、H2 +、H3 +
は除去する必要がある。これはp型不純物又はn型不純
物をドープするという本来の目的に沿うものでない。そ
れに水素イオン注入によってウェファの温度が上がりす
ぎる。それで軽イオン(最大でH3 +)だけを排除するよ
うな折衷的な質量分析をおこなう。
The first object and the second object are common. When the raw material gas becomes plasma, various ions are generated. If the raw material gas contains a certain element, all of them are ion-implanted to effectively use the gas. Light ions containing only hydrogen (H + , H 2 + , H 3 + )
Need to be removed. This does not meet the original purpose of doping with p-type impurities or n-type impurities. In addition, the temperature of the wafer is too high due to the hydrogen ion implantation. Thus, an eclectic mass spectrometry that excludes only light ions (up to H 3 + ) is performed.

【0013】質量分析に関しては、様々の要求がある。
厳格にただ1種類のイオンだけを注入するべきであると
するものもある。反対に質量分析は不要だとするものも
ある。本発明はこれらのうちでは中間的なものである。
目的とする元素を含むものであればどのイオン種でもみ
んな注入され、目的とする元素を含まない水素だけから
なるものは排除しようとするのである。
There are various requirements for mass spectrometry.
Others strictly require that only one type of ion be implanted. Others find mass spectrometry unnecessary. The present invention is intermediate between these.
Any ion species as long as it contains the target element is implanted, and those containing only hydrogen that does not contain the target element are to be eliminated.

【0014】例えば、シリコンウェファにn型不純物と
してPをドープする場合、原料ガスをPH3 とするが、
これはP+ 、PH+ 、PH2 +、H+ 、H2 +、H3 +などの
イオンを生ずる。本発明はこのうち、H+ 、H2 +、H3 +
を除き、そのほかのイオンは全て試料に注入するように
するものである。Pの化合物のイオンであれば注入のあ
と、やがてHが抜けてn型不純物になるから無駄でない
のである。つまり本発明の質量分析は、ある閾値M0
り小さい質量Mのイオン(M<M0 )は排除し、閾値よ
り大きい質量Mのイオンは全て(M>M0 )選択するも
のである。
For example, when doping a silicon wafer with P as an n-type impurity, the source gas is PH 3 .
This P +, PH +, PH 2 +, H +, H 2 +, causing ions such as H 3 +. In the present invention, H + , H 2 + , H 3 +
Except for the above, all other ions are implanted into the sample. If ions of a compound of P are implanted, after implantation, H will eventually escape and become an n-type impurity, so that there is no waste. That mass spectrometry of the present invention, the ion (M certain threshold M 0 smaller mass M <M 0) is excluded, all ions of greater mass M than a threshold (M> M 0) and selects.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】対象となる試料直径Wよ
り小さい横幅2dと、直径wより大きい縦幅Tをもつ縦
長のイオンビームを生成するイオン源と、縦長イオンビ
ームの通路を有する縦長のヨークと、ヨークの中央部に
巻かれた主コイルM1、M2と、主コイルに並んでヨー
クの一方の端部に巻かれた第1補助コイルA1、A2
と、主コイルと並んでヨークの他方の端部に巻かれた第
2補助コイルB1、B2とよりなり縦方向に磁場を発生
する縦長の質量分析磁石と、質量分析磁石によって分離
された軽イオンを遮断するシャッタと、質量分析磁石に
よって分離された軽イオン以外のイオンビームが注入さ
れるように試料を保持しイオンビームの長手方向と直交
する方向に試料を移動させる試料保持機構とよりなる。
SUMMARY OF THE INVENTION An ion source for producing a vertically long ion beam having a width 2d smaller than the diameter D of a target sample and a longer width T larger than the diameter w, and a vertically long ion beam having a passage for the vertically elongated ion beam. A yoke, main coils M1 and M2 wound around the center of the yoke, and first auxiliary coils A1 and A2 wound around one end of the yoke side by side with the main coil
A vertically elongated mass analysis magnet that generates a magnetic field in the vertical direction, the second auxiliary coil being wound around the other end of the yoke along with the main coil, and light ions separated by the mass analysis magnet And a sample holding mechanism for holding the sample so that an ion beam other than light ions separated by the mass analysis magnet is injected, and moving the sample in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the ion beam.

【0016】本発明の装置は、まず縦長イオンビームを
発生させるというところに第1の特長がある。試料の直
径よりも高い縦長のビームを用いるから試料はビームの
横方向にだけ移動させれば足りる。ために注入時間を短
縮することができスループットが向上する。但し縦長と
いっているが、もちろん横長のイオンビームであって横
方向に磁場を懸け短辺方向に質量分析して、試料を縦方
向に動かしても良い。ここでは磁場を縦としビームも縦
長と表現する。
The first feature of the apparatus of the present invention resides in that a vertically elongated ion beam is first generated. Since a vertically long beam larger than the diameter of the sample is used, it is sufficient that the sample is moved only in the lateral direction of the beam. Therefore, the injection time can be shortened and the throughput is improved. However, although it is said that the sample is vertically long, it is needless to say that the sample may be moved in the vertical direction by applying a magnetic field in the horizontal direction and performing mass analysis in the short side direction. Here, the magnetic field is vertical and the beam is also vertical.

【0017】しかし縦長ビームをマグネットによって曲
げようとする場合、磁極間隔が極めて長いので一様磁場
になりにくい。一様磁場でないと、場所によって曲がり
角度が異なるからビームの断面が歪んでしまうし、正し
く質量分析することができない。そこで本発明は、長い
磁極間隔において一様な磁界を形成することができるよ
う工夫している。ヨークに巻いた主コイル、第1補助コ
イル、第2補助コイルなどの組み合わせによって長い磁
極間で一様磁場を発生させるようにした。
However, when a vertically elongated beam is to be bent by a magnet, the distance between magnetic poles is extremely long, so that a uniform magnetic field is hardly generated. If the magnetic field is not uniform, the cross section of the beam will be distorted because the bending angle differs depending on the place, and mass analysis cannot be performed correctly. Therefore, the present invention is devised so that a uniform magnetic field can be formed at a long magnetic pole interval. A uniform magnetic field is generated between long magnetic poles by a combination of a main coil, a first auxiliary coil, and a second auxiliary coil wound around a yoke.

【0018】一様な縦磁場によって、縦長ビームを短辺
側に曲げ、イオンを質量分離する。軽イオンだけを除去
するためにシャッターを設けて一定角度以上に曲がった
ビームをシャッターによって遮断する。残りのビームは
全て試料に注入する。試料はビームの長辺とは直交する
方向に移動するようになっていて、試料全面にイオンビ
ーム注入できる。
The longitudinal beam is bent to the short side by a uniform longitudinal magnetic field, and ions are separated by mass. A shutter is provided to remove only light ions, and a beam bent at a certain angle or more is cut off by the shutter. All the remaining beams are injected into the sample. The sample moves in a direction orthogonal to the long side of the beam, and the ion beam can be implanted over the entire surface of the sample.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】図1は本発明のイオン注入装置の
概略構成図である。縦長のイオン源1が、縦長のイオン
引き出し口2から、帯状(縦長)のビーム3を生成す
る。試料(ウェファ)の直径をWとすると、ビームの縦
長さTはWより大きい、ビームの横幅2dはWより小さ
い(T>W>2d)。ビーム3の経路には、ビームの長
辺Tに平行な縦磁場Byが形成されている。ここで座標
系を定義する。ビームの進行方向をz方向、縦長ビーム
の短辺の方向をx方向、ビーム長辺の方向をy方向とす
る。帯状ビーム3は縦磁場Byの為にローレンツ力を受
け、x方向に曲がる。曲率半径をRとすると、
FIG. 1 is a schematic structural view of an ion implantation apparatus according to the present invention. A vertically elongated ion source 1 generates a band-shaped (vertically elongated) beam 3 from a vertically elongated ion extraction port 2. Assuming that the diameter of the sample (wafer) is W, the vertical length T of the beam is larger than W, and the horizontal width 2d of the beam is smaller than W (T>W> 2d). In the path of the beam 3, a vertical magnetic field By parallel to the long side T of the beam is formed. Here, the coordinate system is defined. The traveling direction of the beam is the z direction, the direction of the short side of the vertically long beam is the x direction, and the direction of the long side of the beam is the y direction. The strip beam 3 receives Lorentz force due to the longitudinal magnetic field By and bends in the x direction. When the radius of curvature is R,

【0020】 ByR=(2MV/q)1/2 (1)ByR = (2MV / q) 1/2 (1)

【0021】である。qは電荷、Vは引出電圧、Mは質
量である。重いイオンはRが大きい。つまり曲がりにく
い。軽いイオンはRが小さい。つまり曲がり易い。軽イ
オンはビーム5のように大きく曲がる。重イオンはビー
ム4のように殆ど曲がらない。軽イオンは水素のイオン
(H+ 、H2 +、H3 +)などを意味する。重イオンは、先
ほどのPドープの例では、P+ 、PH+ 、PH2 +などで
ある。行路中にシャッター7を進退自在に入れて軽イオ
ン5を遮断するようにしている。スリットではなくて、
シャッターであるから、ある質量以上のイオンは全て通
す。
## EQU1 ## q is the charge, V is the extraction voltage, and M is the mass. Heavy ions have a large R. That is, it is hard to bend. Light ions have a small R. That is, it is easy to bend. Light ions bend greatly like beam 5. Heavy ions hardly bend like beam 4. Light ions mean hydrogen ions (H + , H 2 + , H 3 + ) and the like. The heavy ions are P + , PH + , PH 2 + and the like in the example of the P doping described above. The light ions 5 are cut off by moving the shutter 7 forward and backward during the course. Not a slit,
Since it is a shutter, all ions above a certain mass pass through.

【0022】シャッター7で遮られなかった重イオンの
ビーム4は対象物(ウェファ)6の表面に注入される。
ビーム4は複数のイオン種を含むのでウェファ6面で広
がりを持つ。複数イオン種の存在のために注入面8の幅
Δxは、もとのビームの幅2dよりも広くなる(Δx>
2d)。
The heavy ion beam 4 not blocked by the shutter 7 is injected into the surface of the object (wafer) 6.
Since the beam 4 includes a plurality of ion species, the beam 4 spreads on the surface of the wafer 6. Due to the existence of a plurality of ion species, the width Δx of the implantation surface 8 becomes wider than the original beam width 2d (Δx>
2d).

【0023】ビームの短辺方向(x方向)に一様磁場を
作るのは比較的簡単である。磁極間隔が狭いからであ
る。本発明はそうではなくて、ビームの長辺方向(y方
向)に一様磁場Byを作りだし、これによってビームを
質量分析しようとする。磁極間距離が長いので、細長い
閉ループからなるヨークにコイルを巻いたものではヨー
ク面からの磁束漏れのために一様な磁場を形成すること
ができない。中央部で強く、両端で弱い磁場となる。y
=0の近くではビームは強く曲がり、y=0から離れる
と弱く曲がるようになる。すると図8(a)のようにビ
ームがウェファ面で湾曲してしまう。湾曲するだけでな
く、y=0から離れた部位で、重イオンP+ と、軽イオ
ンH3 +のビームの一部が重なってしまう。ここで質量分
離が不完全になる。
It is relatively easy to create a uniform magnetic field in the short side direction (x direction) of the beam. This is because the magnetic pole interval is small. Instead, the present invention attempts to create a uniform magnetic field By in the long side direction (y-direction) of the beam and thereby mass analyze the beam. Since the distance between the magnetic poles is long, it is not possible to form a uniform magnetic field due to a magnetic flux leaking from the yoke surface when a coil is wound around a slender closed loop yoke. The magnetic field is strong at the center and weak at both ends. y
The beam bends strongly near = 0, and weakly away from y = 0. Then, the beam is curved on the wafer surface as shown in FIG. In addition to bending, a part of the beam of the heavy ion P + and a part of the beam of the light ion H 3 + overlap at a position away from y = 0. Here, the mass separation becomes incomplete.

【0024】そこで一様な縦磁場形成の為に本発明は特
別な工夫をしている。図2は本発明のイオン注入装置の
縦断面図、図3は同じものの平面図である。イオン源1
は縦長のイオン源であって、縦長のイオン引き出し口2
を持ち、ここからy方向に長く、x方向に短い断面のビ
ーム3が引き出される。ビームはz方向に進行し、ヨー
ク10の内部に入る。ヨーク10の内部には一様な縦磁
場Byが存在する。これによって軽いイオン5は強く曲
がり、重いイオンは弱く曲がる。ビーム経路に出入自在
にシャッタ7と位置検出器11が設けられる。これは図
1と図3に示した。
Therefore, the present invention takes special measures to form a uniform vertical magnetic field. FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the ion implantation apparatus of the present invention, and FIG. 3 is a plan view of the same. Ion source 1
Denotes a vertically elongated ion source, and a vertically elongated ion outlet 2
From which a beam 3 having a cross section that is long in the y direction and short in the x direction is extracted. The beam travels in the z direction and enters the yoke 10. A uniform longitudinal magnetic field By exists inside the yoke 10. This causes the light ions 5 to bend strongly and the heavy ions to bend weakly. A shutter 7 and a position detector 11 are provided so as to freely enter and exit the beam path. This is shown in FIGS. 1 and 3.

【0025】位置検出器11は初めにイオンビームの空
間的な分布を調べるためのものである。シャッタの前に
あっても、後ろにあっても、さらにウェファの後ろにあ
っても良い。これはxy面に広がる二次元の検出器また
は一次元の検出器である。一次元の検出器を使う場合は
センサ列と直角方向に移動させて実質的に二次元のセン
サとする。初めに位置検出器11これをビーム経路に持
ち出して、磁界が0の時の直進ビームのxy方向のイオ
ン分布を調べる。さらに磁界を掛けてイオンプロフィル
の歪をモニタし、イオンビームが歪まないように補助コ
イル電流を調整する。
The position detector 11 is for initially examining the spatial distribution of the ion beam. It may be in front of the shutter, behind it, or behind the wafer. This is a two-dimensional or one-dimensional detector extending in the xy plane. When a one-dimensional detector is used, it is moved in a direction perpendicular to the sensor array to form a substantially two-dimensional sensor. First, the position detector 11 is taken out to the beam path, and the ion distribution in the xy directions of the straight beam when the magnetic field is 0 is examined. Further, the magnetic field is applied to monitor the distortion of the ion profile, and the auxiliary coil current is adjusted so that the ion beam is not distorted.

【0026】位置検出器11とシャッタ7は同様にx方
向に進退可能である。イオン注入を行うときは、位置検
出器11を引き込み、代わりにシャッター7を繰り出
す。軽いイオンは強く曲がるのでシャッター7によって
遮断される。重いイオンは曲がりが少ないのでシャッタ
ー7に触れず、ウェファ6に入射する。エンドステーシ
ョン9は、ウェファ6を支持しx方向に移動できる支持
機構を備える。
Similarly, the position detector 11 and the shutter 7 can advance and retreat in the x direction. When performing ion implantation, the position detector 11 is pulled in, and the shutter 7 is extended instead. Light ions bend strongly and are blocked by the shutter 7. Heavy ions enter the wafer 6 without touching the shutter 7 because the ions are hardly bent. The end station 9 includes a support mechanism that supports the wafer 6 and can move in the x direction.

【0027】図4はヨーク10と6つのコイルを示して
いる。ヨークは強磁性体の閉磁路を構成する。矩形状で
あってy方向に長く、x方向に短い。x方向のヨーク部
分をX枠、y方向のヨーク部分をY枠と呼ぶ。Y枠には
6つのコイル、M1、M2、A1、A2、B1、B2が
設けられている。中央の主コイルM1、M2は最も巻き
数の多いコイルである。巻き方向は同一であって、何れ
も上向きの磁束をヨーク10内に発生させる。ヨーク1
0に上下向きの循環型の磁束を生じさせるのではない。
主コイルより下方には第1補助コイルA1、A2があ
る。これも巻き方向は同一であり何れも上向きの磁束を
生じる。主コイルより上方には第2補助コイルB1、B
2がある。これも上向きの磁束を発生させる。
FIG. 4 shows the yoke 10 and the six coils. The yoke constitutes a ferromagnetic closed magnetic path. It is rectangular and long in the y direction and short in the x direction. The yoke portion in the x direction is called an X frame, and the yoke portion in the y direction is called a Y frame. The Y frame is provided with six coils, M1, M2, A1, A2, B1, and B2. The central main coils M1 and M2 are coils having the largest number of turns. The winding directions are the same, and all generate an upward magnetic flux in the yoke 10. York 1
It does not cause the circulation magnetic flux to be directed vertically to zero.
Below the main coil are first auxiliary coils A1 and A2. Also in this case, the winding directions are the same, and both generate an upward magnetic flux. Above the main coil, the second auxiliary coils B1, B
There are two. This also generates an upward magnetic flux.

【0028】つまりこのヨークは閉曲線の磁路を持つ
が、コイルによって作られる磁束は閉曲線に沿ってヨー
ク中を回るものではない。左側Y枠に巻き付けてある3
つのコイルB1、M1、A1は何れも上向き磁束を与え
る。右側Y枠にある3つのコイルB2、M2、A2も上
向き磁束を作る。磁束はX枠の中央Uで衝突し、上下に
ヨークから飛び出す。
That is, the yoke has a closed curve magnetic path, but the magnetic flux generated by the coil does not travel through the yoke along the closed curve. 3 wrapped around the left Y frame
Each of the coils B1, M1, and A1 provides an upward magnetic flux. The three coils B2, M2, and A2 in the right Y frame also generate an upward magnetic flux. The magnetic flux collides at the center U of the X frame and jumps out of the yoke up and down.

【0029】上向きに飛び出したものは、ヨークを大き
く外回りして、反対側のX枠の中心Dに戻る。これは磁
束の損失である。下向きに飛び出したものは、下向きの
磁束密度Bとなる。これは質量分析空間12を縦に貫
き、下のX枠の中央Dでヨーク内に戻る。このように、
ヨーク10は上下のX枠の中点UとDが磁極になる。
The object that has jumped upward goes around the yoke greatly and returns to the center D of the X frame on the opposite side. This is a loss of magnetic flux. What protrudes downward has a downward magnetic flux density B. It penetrates vertically through the mass analysis space 12 and returns into the yoke at the center D of the lower X frame. in this way,
The yoke 10 has magnetic poles at the midpoints U and D of the upper and lower X frames.

【0030】右側の磁束は、A2、M2,B2を下から
上に抜け、ヨーク10の上枠の中点Uから下降して、ビ
ーム3を通り、下枠の中点Dへ戻りさらにA2、M2,
B2を通過する閉ループを描く。
The magnetic flux on the right side passes through A2, M2, and B2 from below, goes down from the middle point U of the upper frame of the yoke 10, passes through the beam 3, returns to the middle point D of the lower frame, and then returns to A2, M2. M2
Draw a closed loop passing through B2.

【0031】左側の磁束は、A1、M1,B1を下から
上に抜け、ヨーク10の上枠の中点Uから下降して、ビ
ーム3を通り、下枠の中点DへもどりさらにA1、M
1、B1を通過する閉ループを描く。
The magnetic flux on the left side passes through A1, M1 and B1 from below, descends from the middle point U of the upper frame of the yoke 10, passes through the beam 3, returns to the middle point D of the lower frame, and further moves A1, M1 and B1. M
1. Draw a closed loop passing through B1.

【0032】このように、X枠の中点U、Dで磁束が強
く衝突し磁場エネルギーがここで高くなるので、その近
傍でのヨークからの磁束の漏れが大きい。これが問題で
ある。もしも一対の主コイルM1、M2だけであると、
ヨーク半ばでの磁束漏れのためにByがy方向で一様に
ならない。
As described above, since the magnetic flux collides strongly at the midpoints U and D of the X frame and the magnetic field energy increases here, the leakage of the magnetic flux from the yoke in the vicinity thereof is large. This is the problem. If there is only a pair of main coils M1 and M2,
By is not uniform in the y direction due to magnetic flux leakage in the middle of the yoke.

【0033】図6は主コイルM1、M2だけに5000
0ATの電流を流し、補助コイルA1、A2、B1、B
2には電流を流さない時の、磁束密度By(y)のy方
向の分布である。ATというのは本来MKS単位系での
磁場Hの単位であるが、ヨークに発生させる起磁力を与
えるものとしてここでは、コイルの巻数Nと電流Iの積
によってコイル起磁力を表現している。もしもヨークが
閉磁路をなし、漏れ磁束がないとすれば、ヨーク内の磁
場HはATの値を磁路長によって割った値になる。
FIG. 6 shows that only the main coils M1 and M2 have 5000
A current of 0 AT flows, and the auxiliary coils A1, A2, B1, B
2 shows the distribution of the magnetic flux density By (y) in the y direction when no current flows. AT is originally a unit of the magnetic field H in the MKS unit system, but here, the coil magnetomotive force is expressed by the product of the number of turns N of the coil and the current I as giving the magnetomotive force generated in the yoke. If the yoke forms a closed magnetic path and there is no leakage magnetic flux, the magnetic field H in the yoke is a value obtained by dividing the value of AT by the magnetic path length.

【0034】しかし本発明の使い方では磁束漏れがある
のでヨーク内の磁場は、ATを磁路長で割ったものには
ならない。従ってAT/mと磁束密度Bの間に単純な比
例関係はない。コイルに流す電流が大きいので磁極間が
離れていても十分な磁束密度Bを発生させることができ
る。ATが大きいとヨークの飽和が起こる惧れがある。
しかしヨークの断面積が十分であれば、磁束密度は数k
Gの程度であるから、飽和が起こる心配は無い。
However, the magnetic field in the yoke is not the AT divided by the magnetic path length because of the magnetic flux leakage in the use of the present invention. Therefore, there is no simple proportional relationship between AT / m and the magnetic flux density B. Since the current flowing through the coil is large, a sufficient magnetic flux density B can be generated even if the magnetic poles are separated. If the AT is large, the saturation of the yoke may occur.
However, if the yoke has a sufficient cross-sectional area, the magnetic flux density can be several k
Since it is of the order of G, there is no fear of saturation occurring.

【0035】さてヨークの開口のy方向の長さを40c
mとして、中央部y=0では1600ガウスになる。し
かし両端部y=±20cmでは720ガウスにしかなら
ない。Byがy方向に不均一になる。y=0の付近を通
るビームは強く曲がるが、y=±20cmの付近を通る
ビームは曲がりが小さい。
The length of the yoke opening in the y direction is 40c.
Assuming that m is 1600 gauss at the center y = 0. However, at both ends y = ± 20 cm, it is only 720 gauss. By becomes non-uniform in the y direction. A beam passing near y = 0 is strongly bent, while a beam passing near y = ± 20 cm has small bending.

【0036】そこで両側に補助コイルを設けてこれらに
大電流を流す事によって両端での磁場を増強する。図7
は主コイルM1、M2にそれぞれ25000ATの電流
を流し、補助コイルA1、A2、B1、B2にはそれぞ
れ12500ATの電流を流した時のy方向の磁束密度
By(y)を示す。y=0cmで1040ガウスである
が、y=±20cmに至るまで一様であり、平坦な磁束
密度分布が実現されている。このように補助コイルA、
Bを励磁することによってy方向の磁場を一様にするこ
とができる。磁場が一様であれば、y方向の位置の違い
によらず、ビームの曲がりを等しくできる。
Therefore, auxiliary coils are provided on both sides, and a large current is supplied to these coils to enhance the magnetic field at both ends. FIG.
Indicates the magnetic flux density By (y) in the y direction when a current of 25000 AT flows through the main coils M1 and M2 and a current of 12,500 AT flows through the auxiliary coils A1, A2, B1 and B2, respectively. Although it is 1040 gauss at y = 0 cm, it is uniform up to y = ± 20 cm, and a flat magnetic flux density distribution is realized. Thus, the auxiliary coil A,
By exciting B, the magnetic field in the y direction can be made uniform. If the magnetic field is uniform, the bending of the beam can be equalized regardless of the difference in the position in the y direction.

【0037】図8の(b)に示すように、初めに矩形断
面のビームであれば、ウェファ面上でも、Pについて矩
形断面になるし、H3 についても矩形断面になる。図8
のPとH3 の境界の部分にシャッターを入れると、
3 +、H2 +、H+ などの軽イオンを全て落とし、P以上
の質量をもつ、P+ 、PH+ 、PH2 +、PH3 +などのイ
オンを全てウェファに注入することができる。図8
(b)ではPの領域とH3 の領域が接触しているが、も
う少しウェファを後ろへずらすと両者は十分に離隔す
る。
As shown in FIG. 8B, if the beam has a rectangular cross section at first, the cross section of P and the cross section of H 3 also become rectangular on the wafer surface. FIG.
Taking shutter at the boundary of the P and H 3,
All light ions such as H 3 + , H 2 + and H + are dropped, and all ions such as P + , PH + , PH 2 + and PH 3 + having a mass of P or more can be implanted into the wafer. . FIG.
Although (b) in the region of the P region and H 3 are in contact, both spaced apart sufficiently when shifted back a little wafer.

【0038】初めに二次元分解能を持つ位置検出器11
(ファラディカップなど)によってイオンビームの分布
を求めておき、PとH3 ビームの境界を求め、境界部分
にシャッターを位置させる。照射領域8が既知になるの
で、ウェファ6をx→−x方向に走査すればよい。これ
はウェファの支持機構によって行う。一方向の並進だけ
でウェファの全面に一様にビームを注入することができ
る。高速回転と並進運動を同時に行う、従来の大口径ウ
ェファ用のイオン注入装置のエンドステーションに比較
して、格段に単純化される。
First, a position detector 11 having a two-dimensional resolution
The distribution of the ion beam is determined by using a Faraday cup or the like, the boundary between the P and H 3 beams is determined, and the shutter is positioned at the boundary. Since the irradiation area 8 becomes known, the wafer 6 may be scanned in the x → −x direction. This is done by the support mechanism of the wafer. The beam can be uniformly injected over the entire surface of the wafer only by translation in one direction. Compared with the conventional ion implantation apparatus for large-diameter wafers, which simultaneously performs high-speed rotation and translational motion, the operation is greatly simplified.

【0039】[0039]

【実施例】直径30cmのシリコンウェファにPイオン
をドープする場合について説明する。原料ガスはPH3
ガスである。これをイオン源に導入してプラズマとし、
引出電極の作用によってイオンビームとして引き出す。
縦長のイオン源1から高さが40cm横幅が10cmの
帯状のイオンビームを発生させる。ビーム前方には二次
元の位置検出器11を配置する。これによってイオンビ
ームのx、y方向に二次元分布を調べる。
EXAMPLE A case where a silicon wafer having a diameter of 30 cm is doped with P ions will be described. Source gas is PH 3
Gas. This is introduced into the ion source to form plasma,
It is extracted as an ion beam by the action of the extraction electrode.
A band-shaped ion beam having a height of 40 cm and a width of 10 cm is generated from a vertically long ion source 1. A two-dimensional position detector 11 is arranged in front of the beam. Thus, the two-dimensional distribution of the ion beam in the x and y directions is examined.

【0040】たとえば二次元の検出機能をもつファラデ
ィカップを用いる。二次元分解能を持たせるため、例え
ば1cm径のイオン検出部を多数格子状に並べたファラ
ディカップが適する。二次元検出器の代わりに、y方向
に伸びる一次元位置検出器をx方向に移動させても良
い。或いはx方向に伸びる一次元位置検出器をy方向に
移動させることもできる。これらのビーム強度の二次元
信号をパラレルに、或いはゲートを懸けて、シリアルに
読み出して適当な数学的処理をパソコンで行い、ビーム
の2次元分布をCRTに表示できる。この状態では、水
素イオンや燐イオンは重なったピークを作っている。
For example, a Faraday cup having a two-dimensional detection function is used. In order to provide two-dimensional resolution, for example, a Faraday cup in which a large number of 1 cm-diameter ion detectors are arranged in a grid pattern is suitable. Instead of the two-dimensional detector, a one-dimensional position detector extending in the y-direction may be moved in the x-direction. Alternatively, the one-dimensional position detector extending in the x direction can be moved in the y direction. The two-dimensional signals of these beam intensities can be read out in parallel or serially through a gate and subjected to appropriate mathematical processing by a personal computer to display the two-dimensional distribution of the beam on a CRT. In this state, hydrogen ions and phosphorus ions form overlapping peaks.

【0041】つぎに主コイルM1、M2に通電してヨー
クから縦磁場Byを発生させる。磁場分布は図6のよう
になる。イオンビームはx方向に曲がり、ピークが二つ
に分離する。図8(a)のようにH3 のビームと、Pの
ビームは中央部では分離しているが、端では互いに重な
っている。もとのビームが40cm×10cmの矩形状
であるのにビームが歪むのは中央で磁場が強く端で弱い
からである。
Next, the main coils M1 and M2 are energized to generate a vertical magnetic field By from the yoke. The magnetic field distribution is as shown in FIG. The ion beam bends in the x direction and the peak splits into two. As shown in FIG. 8A, the H 3 beam and the P beam are separated at the center, but overlap each other at the ends. Although the original beam has a rectangular shape of 40 cm × 10 cm, the beam is distorted because the magnetic field is strong at the center and weak at the ends.

【0042】さらに補助コイルA1、A2、B1、B2
に通電してこれを励磁する。主コイルM1、M2の電流
とバランスを取りながら補助コイル電流を増加させる。
ビームの分布が図8(b)のように矩形状になり完全に
分離できればよい。このとき図7のような一様磁場が形
成されている。
Further, auxiliary coils A1, A2, B1, B2
To excite it. The auxiliary coil current is increased while balancing the currents of the main coils M1 and M2.
It is only necessary that the beam distribution be rectangular as shown in FIG. At this time, a uniform magnetic field as shown in FIG. 7 is formed.

【0043】注入角度が問題になるときは、基板6を傾
けて燐イオンのビームが直角になるようにする。この条
件では、燐イオンの入射角は約10度、水素イオンは約
40度程度である。であるからウェファ6を約10度傾
けて入射するようにすれば良い。入射角が10度位傾い
ても差し支えないという場合は、ウェファは傾けなくて
も良い。ビーム断面はy方向に長い長方形であるから、
基板6はx方向に並進させて全面にイオン注入する。
When the implantation angle becomes a problem, the substrate 6 is tilted so that the phosphorus ion beam becomes a right angle. Under these conditions, the incident angle of phosphorus ions is about 10 degrees, and that of hydrogen ions is about 40 degrees. Therefore, the wafer 6 may be incident at an angle of about 10 degrees. If the incident angle can be tilted by about 10 degrees, the wafer need not be tilted. Since the beam cross section is a rectangle that is long in the y direction,
The substrate 6 is translated in the x direction and is ion-implanted over the entire surface.

【0044】先ほどヨークの飽和について述べたが、こ
こで、燐ドープの例について、パラメータの例を説明す
る。図5は横幅JHG(2d)のある縦長ビームが磁場
のファラディ力で曲がる有り様を示す。有効な磁場の存
在する領域の幅をLとする。水素H3 +イオンは点Cを中
心として小さい半径RH の円弧を描く。中心角をΘH
する。H3 +ビームは入口でJHGの広がりを持つので、
出口でもSQPの範囲に広がっている。中心点Hからz
方向に引いた線と領域の端の線の交点をFとする。燐イ
オンは点Eを中心として大きい半径RP の円弧を描く。
中心角をΘP とする。P+ ビームは入口でJHGの幅を
持つから、出口でもNMKの広がりを持つ。
The saturation of the yoke has been described above. Here, an example of parameters for an example of phosphorus doping will be described. FIG. 5 shows how a vertically long beam having a width of JHG (2d) is bent by the Faraday force of a magnetic field. Let L be the width of the region where the effective magnetic field exists. The hydrogen H 3 + ion draws an arc with a small radius R H about the point C. Let the central angle be ΘH. Since the H 3 + beam has a JHG spread at the entrance,
At the exit, it extends to the SQP range. Center point H to z
Let F be the intersection of the line drawn in the direction and the line at the end of the area. Phosphorus ions an arc of large radius R P about the point E.
The central angle and Θ P. Since the P + beam has a width of JHG at the entrance, it also has a NMK spread at the exit.

【0045】燐ビームの出口分布で最もxの値が大きい
のは点Nである。H3 ビームの出口分布で最もxの小さ
いのは点Pである。このようにXN <XP であれば、シ
ャッターをPN間に置く事によってH3 を全部落とす事
ができる。もちろんビーム角度も違うので実際にはもっ
と余裕がある。
The point N has the largest value of x in the exit distribution of the phosphor beam. Point P has the smallest x in the exit distribution of the H 3 beam. Thus, if X N <X P , all the H 3 can be dropped by placing the shutter between PN. Of course, since the beam angle is different, there is actually more room.

【0046】 RH =(MH V)1/2 /0.69B (2)R H = (M H V) 1/2 /0.69B (2)

【0047】 RH =(MP V)1/2 /0.69B (3)[0047] R H = (M P V) 1/2 /0.69B (3)

【0048】ここで半径Rの単位はcm、磁束密度の単
位はテスラ、MH(3)、MP(31)は質量数である
(MH =3、MP =31)。加速電圧Vの単位は10k
eVである。磁場領域Lでのビーム曲がりの中心角Θ
P、ΘHは、
[0048] Here, the unit of the radius R cm, the unit of magnetic flux density tesla, MH (3), MP ( 31) is the mass number (M H = 3, M P = 31). The unit of acceleration voltage V is 10k
eV. Central angle of beam bending in magnetic field region L
P, ΔH are

【0049】RH sinΘH =L (4)[0049] R H sinΘ H = L (4 )

【0050】RP sinΘP =L (5)[0050] R P sinΘ P = L (5 )

【0051】によって決まる。Is determined by

【0052】 FN=RP −RP cosΘP +d (6)[0052] FN = R P -R P cosΘ P + d (6)

【0053】 FP=RH −RH cosΘH −d (7)[0053] FP = R H -R H cosΘ H -d (7)

【0054】である。分離の条件は FP>FNである
から、
Is as follows. Since the condition of separation is FP> FN,

【0055】 RH −RH cosΘH −d>RP −RP cosΘP +d (8)[0055] R H -R H cosΘ H -d> R P -R P cosΘ P + d (8)

【0056】であればよい。具体的に、磁場領域の幅L
を50cm、ビーム半幅dを5cm、ビームエネルギー
を100keVとして、分離すべきイオンをH3 イオン
と、Pイオンとすると、必要な磁束密度は1000ガウ
ス程度になる。この時(B=0.1テスラ)、RH =7
9cm、ΘH =39゜、RP =253cm、ΘP =11
゜となる。このとき不等式(8)を満足している。この
程度の縦磁場を発生させるのは可能である。図7のよう
に、主コイルに25000AT、補助コイルに1250
0ATの電流を流すと、B=1040ガウスになる。
Any method can be used. Specifically, the width L of the magnetic field region
Is 50 cm, the beam half width d is 5 cm, the beam energy is 100 keV, and the ions to be separated are H 3 ions and P ions, the required magnetic flux density is about 1000 gauss. At this time (B = 0.1 Tesla), R H = 7
9 cm, Θ H = 39 ゜, R P = 253 cm, Θ P = 11
It becomes ゜. At this time, the inequality (8) is satisfied. It is possible to generate such a longitudinal magnetic field. As shown in FIG. 7, the main coil has 25000AT and the auxiliary coil has 1250AT.
When a current of 0 AT flows, B = 1040 gauss.

【0057】図9には補助コイル電流を0としたとき
の、ビームの広がりを示す。図9(a)は燐イオンを1
00keVに加速したときのビームである。ビームには
もともと横幅(2d:図5のGHJ))があるので、中
央と左右のビーム軌跡3本を示す。いずれも3本に分離
しているが、これはy方向の磁場Byがばらついている
からである。図9(b)は100keVのH3 イオンの
軌跡である。軽いイオンであるから曲がりがより著し
い。やはりByの不均一性のために3本以上のビームに
分離している。
FIG. 9 shows the beam spread when the auxiliary coil current is set to zero. FIG. 9 (a) shows that phosphorus ions
It is a beam when accelerating to 00 keV. Since the beam originally has a width (2d: GHJ in FIG. 5), three beam trajectories at the center and left and right are shown. Each of them is separated into three lines because the magnetic field By in the y direction varies. FIG. 9B shows the locus of H 3 ions at 100 keV. The bend is more pronounced because it is a light ion. Again, the beam is separated into three or more beams due to the non-uniformity of By.

【0058】図10は補助コイル電流を流し、Byを一
様にした時のビーム広がりを示す。図10(a)は10
0keVの燐イオンの軌跡である。Byがy方向で一様
であるから、ビームは分離しない。図10(b)は10
0keVのH3 イオンの軌跡である。これは僅かに分離
しているが、xの大きい範囲でByが少し不均一になっ
ているからである。
FIG. 10 shows the beam spread when the auxiliary coil current is passed and By is made uniform. FIG.
It is a locus of phosphorus ions of 0 keV. Since By is uniform in the y-direction, the beams do not separate. FIG.
It is the locus of H 3 ion of 0keV. This is because, although slightly separated, By is slightly non-uniform in a large range of x.

【0059】図11には主コイル電流が50000A
T、補助コイル電流が0の時の(図6と同じ条件)ヨー
クや磁極間の磁力線の分布を示す。ヨーク外側の枠は無
限円の代わりに仮想的な境界条件を設定する枠である。
磁力線は連続するのでこのような境界条件を入れないと
磁力線を計算できない。実際にヨークをこのような強磁
性体の箱で囲む事もあるが、囲まない場合もある。この
ような境界条件は内部の磁力線分布にはあまり強い影響
を持たない。主コイルだけを励磁するので、ヨークから
漏れが多く、磁力線が磁極間で完全に平行にならない。
FIG. 11 shows that the main coil current is 50,000 A
T shows the distribution of the lines of magnetic force between the yokes and the magnetic poles when the auxiliary coil current is 0 (the same conditions as in FIG. 6). The frame outside the yoke is a frame for setting a virtual boundary condition instead of an infinite circle.
Since the magnetic field lines are continuous, the magnetic field lines cannot be calculated without such boundary conditions. Actually, the yoke may be surrounded by such a box made of ferromagnetic material, but may not be surrounded. Such a boundary condition does not have a strong influence on the internal magnetic field line distribution. Since only the main coil is excited, there is much leakage from the yoke, and the lines of magnetic force are not completely parallel between the magnetic poles.

【0060】図12には主コイルに25000AT、補
助コイルに12500ATの電流を流した時(図7と同
じ条件)のヨークや磁極間の磁力線分布を示す。磁極間
で磁力線が完全に平行になっている事が分かる。
FIG. 12 shows the distribution of the lines of magnetic force between the yokes and the magnetic poles when a current of 25,000 AT flows through the main coil and 12,500 AT through the auxiliary coil (under the same conditions as in FIG. 7). It can be seen that the lines of magnetic force are completely parallel between the magnetic poles.

【0061】[0061]

【発明の効果】本発明は、帯状のイオンビームを短辺の
方向に磁石によって曲げてイオンを質量分析する。原料
ガスをイオンとしたとき、不要な軽イオンと必要な重イ
オンを含むようになる場合、これを分離し不要な軽イオ
ンを除く。非質量分析タイプのイオン注入装置に比較し
て発熱が少なく、不純物の注入による悪影響も少ない。
必要な重いイオンが複数種ある場合それらの全てをイオ
ン注入できるから原料を有効に利用できるし、注入処理
能力も大きい。対象物(ウェファ)は一方向だけに往復
移動させれば良いのでエンドステーションの構造が単純
になる。
According to the present invention, ions are mass-analyzed by bending a band-like ion beam in the direction of the short side with a magnet. When the source gas is an ion, if it contains unnecessary light ions and necessary heavy ions, it is separated to remove unnecessary light ions. It generates less heat and has less adverse effects due to impurity implantation as compared to non-mass spectrometry type ion implanters.
When there are plural kinds of necessary heavy ions, all of them can be ion-implanted, so that the raw material can be effectively used and the implantation processing ability is large. Since the object (wafer) needs to be reciprocated only in one direction, the structure of the end station is simplified.

【0062】この種のエンドステーションの場合、ウェ
ファをビーム幅の長さだけ余分にオーバースキャンしな
ければ注入均一性を保証できないが、ウェファ面上での
ビームプロフィルを、補正コイルの電流によって制御で
きるので、オーバースキャン幅を補正コイルなしの場合
に比べてより狭くできる。これにより注入時間を短縮で
きる。曲げ角度が少なくて済みビームラインが短くて良
い。そのために空間電荷効果によるビーム発散が少ない
ので、ビーム損失が少ない。
In the case of this type of end station, the injection uniformity cannot be guaranteed unless the wafer is overscanned by the length of the beam width, but the beam profile on the wafer surface can be controlled by the current of the correction coil. Therefore, the overscan width can be made narrower than that without the correction coil. Thereby, the injection time can be reduced. The bending angle is small and the beam line can be short. Therefore, the beam divergence due to the space charge effect is small, so that the beam loss is small.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のイオン注入装置の概略斜視図。FIG. 1 is a schematic perspective view of an ion implantation apparatus of the present invention.

【図2】本発明のイオン注入装置の縦断面図。FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the ion implantation apparatus of the present invention.

【図3】図2に示す本発明のイオン注入装置の横断平面
図。
FIG. 3 is a cross-sectional plan view of the ion implantation apparatus of the present invention shown in FIG.

【図4】本発明で利用する縦長ビームの質量分析マグネ
ットのヨークとコイルの関係を示す正面図。
FIG. 4 is a front view showing a relationship between a yoke and a coil of a longitudinal beam mass analysis magnet used in the present invention.

【図5】マグネットによて縦長ビームを横方向に曲げる
ことによって水素よりなる軽イオンH3 + と燐Pを含む
イオンとを質量分析できることを示す説明図。
FIG. 5 is an explanatory view showing that light ions H 3 + composed of hydrogen and ions containing phosphorus P can be mass-analyzed by bending a vertically long beam in a horizontal direction by a magnet.

【図6】主コイルだけに50000ATの電流を流した
ときのヨーク開口内での、磁束密度Byのy方向分布を
示すグラフ。y=0で磁束密度が過度になり、これから
遠ざかるに従って磁束密度が過小になる。
FIG. 6 is a graph showing a y-direction distribution of a magnetic flux density By in a yoke opening when a current of 50,000AT is applied only to a main coil. At y = 0, the magnetic flux density becomes excessive, and as the distance increases, the magnetic flux density becomes too small.

【図7】主コイルに25000AT、補助コイルに12
500ATの電流を流したときのヨーク開口内での、磁
束密度Byのy方向分布を示すグラフ。y方向で磁束密
度が一様になっている。
FIG. 7: 25000AT for main coil and 12 for auxiliary coil
5 is a graph showing a y-direction distribution of a magnetic flux density By in a yoke opening when a current of 500 AT flows. The magnetic flux density is uniform in the y direction.

【図8】補助コイルによる磁場がビームプロフィルにど
のような影響を及ぼすのかを説明するための図。(a)
は補助コイル電流が0の場合、(b)は補助コイルに適
当な電流を流している場合を示す。
FIG. 8 is a diagram for explaining how a magnetic field generated by an auxiliary coil affects a beam profile. (A)
Indicates a case where the auxiliary coil current is 0, and (b) indicates a case where an appropriate current is flowing through the auxiliary coil.

【図9】補助コイル電流が無いとき、質量分析マグネッ
トが、イオンビーム軌跡にどのような影響を及ぼすかを
説明するビーム軌跡図。(a)は補助コイル電流が0の
時の、100keVに加速した燐イオンの軌跡図。
(b)は補助コイル電流が0の時の、100keVに加
速したH3 イオンの軌跡図。いずれも3本のビームに分
離している。
FIG. 9 is a beam trajectory diagram illustrating how the mass analysis magnet affects the ion beam trajectory when there is no auxiliary coil current. (A) is a trajectory diagram of phosphorus ions accelerated to 100 keV when the auxiliary coil current is 0.
(B) is a locus diagram of H 3 ions accelerated to 100 keV when the auxiliary coil current is 0. Each is separated into three beams.

【図10】補助コイルに適当な電流を流したときに、質
量分析マグネットが、イオンビーム軌跡にどのような影
響を及ぼすかを説明するビーム軌跡図。(a)は補助コ
イル電流が0の時の、100keVに加速した燐イオン
の軌跡図。(b)は補助コイル電流が0の時の、100
keVに加速したH3 イオンの軌跡図。y方向に磁束密
度が一様であるからビームが分離しない。
FIG. 10 is a beam trajectory diagram for explaining how a mass analysis magnet affects an ion beam trajectory when an appropriate current is applied to an auxiliary coil. (A) is a trajectory diagram of phosphorus ions accelerated to 100 keV when the auxiliary coil current is 0. (B) is 100 when the auxiliary coil current is 0;
locus plot of accelerated H 3 ions keV. Since the magnetic flux density is uniform in the y direction, the beams do not separate.

【図11】主コイル電流が50000ATで、補助コイ
ル電流=0の時、コイル電流によってヨーク内に形成さ
れる磁力線の分布に関する計算結果を示す図。ヨークの
外側に閉磁路をなす磁気回路を仮定し無限遠まで磁力線
が広がらないという境界条件を課している。磁極間で磁
力線が湾曲している。
FIG. 11 is a diagram showing a calculation result regarding distribution of lines of magnetic force formed in the yoke by the coil current when the main coil current is 50000AT and the auxiliary coil current = 0. Assuming a magnetic circuit forming a closed magnetic circuit outside the yoke, a boundary condition that the magnetic field lines do not spread to infinity is imposed. The lines of magnetic force are curved between the magnetic poles.

【図12】主コイル電流が25000ATで、補助コイ
ル電流=12500ATの時、コイル電流によってヨー
ク内に形成される磁力線の分布を示す図。ヨークの外側
に閉磁路をなす磁気回路を仮定し無限遠まで磁力線が広
がらないという境界条件を課している。磁極間で磁力線
が直線になっている。
FIG. 12 is a diagram showing the distribution of magnetic lines of force formed in the yoke by the coil current when the main coil current is 25000AT and the auxiliary coil current is 12500AT. Assuming a magnetic circuit forming a closed magnetic circuit outside the yoke, a boundary condition that the magnetic field lines do not spread to infinity is imposed. The lines of magnetic force are straight between the magnetic poles.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 縦長のイオン源 2 イオン引き出し口 3 帯状イオンビーム 4 重いイオンを含むビーム 5 軽いイオンを含むビーム 6 ウェファ 7 シャッター 8 重いイオンの照射領域 9 エンドステーション 10 質量分析磁石のヨーク 11 位置検出器 12 質量分析空間 REFERENCE SIGNS LIST 1 vertically elongated ion source 2 ion outlet 3 band ion beam 4 beam containing heavy ions 5 beam containing light ions 6 wafer 7 shutter 8 irradiation region of heavy ions 9 end station 10 yoke of mass analysis magnet 11 position detector 12 mass Analysis space

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 対象となる試料直径より小さい横幅と、
直径より大きい縦幅をもつ縦長のイオンビームを生成す
るイオン源と、縦長イオンビームの通路を有する縦長の
ヨークと、ヨークの中央部に巻かれた主コイルM1、M
2と、主コイルに並んでヨークの一方の端部に巻かれた
第1補助コイルA1、A2と、主コイルと並んでヨーク
の他方の端部に巻かれた第2補助コイルB1、B2とよ
りなりイオンビーム通路の長辺側である縦方向に磁場を
発生する縦長の質量分析磁石と、質量分析磁石によって
分離された軽イオンを遮断するシャッタと、質量分析磁
石によって分離された軽イオン以外のイオンビームが注
入されるように試料を保持しイオンビームの長手方向と
直交する方向に試料を移動させる試料保持機構とよりな
ることを特徴とするイオン注入装置。
A width smaller than a diameter of a sample to be treated;
An ion source for generating a vertically elongated ion beam having a longitudinal width larger than the diameter, a vertically elongated yoke having a passage for the vertically elongated ion beam, and main coils M1 and M wound around the center of the yoke
2, first auxiliary coils A1 and A2 wound on one end of the yoke side by side with the main coil, and second auxiliary coils B1 and B2 wound on the other end of the yoke side by side with the main coil. A longitudinally elongated mass analysis magnet that generates a magnetic field in the longitudinal direction that is the long side of the ion beam path, a shutter that blocks light ions separated by the mass analysis magnet, and light ions separated by the mass analysis magnet And a sample holding mechanism for holding the sample so that the ion beam is injected and moving the sample in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the ion beam.
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