JPH09219173A - Ion injection device - Google Patents
Ion injection deviceInfo
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- JPH09219173A JPH09219173A JP8047944A JP4794496A JPH09219173A JP H09219173 A JPH09219173 A JP H09219173A JP 8047944 A JP8047944 A JP 8047944A JP 4794496 A JP4794496 A JP 4794496A JP H09219173 A JPH09219173 A JP H09219173A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウェファの
ような大型の加工品に対する高電流イオン注入を余分な
イオンによる発熱を抑制することによりデバイスを損傷
することなく高能率で行うことのできるイオン注入装置
に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to ions capable of performing high-current ion implantation into a large-sized workpiece such as a semiconductor wafer with high efficiency without damaging the device by suppressing heat generation by extra ions. Regarding injection device.
【0002】[0002]
【従来の技術】イオン注入装置は半導体、絶縁体などに
イオンビ−ムを高速で打ち込むものである。半導体の場
合は、p型或いはn型の不純物を対象物に注入し伝導型
を変更する為に用いられる。イオンビ−ムの加速電圧に
よって注入の深さを制御できる。従来のイオン注入装置
には2種類のものがある。一つは細いビームを質量分離
し、左右上下に実効的に走査することによって、広い面
積をもつ対象面にイオン注入をするものである。もう一
つは大口径のイオン源から広いイオンビ−ムを引き出
し、質量分離をせずそのまま被照射物に当てるものであ
る。2. Description of the Related Art An ion implanter is a device for implanting an ion beam into a semiconductor, an insulator or the like at high speed. In the case of a semiconductor, it is used to change the conduction type by implanting p-type or n-type impurities into an object. The implantation depth can be controlled by the acceleration voltage of the ion beam. There are two types of conventional ion implanters. One is to ion-implant a target surface having a large area by separating a thin beam into masses and effectively scanning the beams vertically and horizontally. The other is to extract a wide ion beam from a large-diameter ion source and directly hit the irradiation target without mass separation.
【0003】前者の走査法について述べる。走査といっ
てもビーム自体を振っても良いし、被処理物を左右に振
っても良い。何れであっても良い。半導体ウェファが対
象の場合は、回転可能なディスクを円周上に複数個有す
る回転円盤を用いる。半導体ウェファをディスクに取り
付ける。ディスクを回転させながら円盤を左右上下に移
動させ、順次細いイオンビ−ムを回転するウェファ全面
に均一になるように照射することもある。これを回転タ
ーゲット方式と呼ぶことにする。ウェファは回転と並進
の両方の走査を受ける。The former scanning method will be described. The beam itself may be shaken for scanning, or the object to be processed may be shaken left and right. Either may be used. When the target is a semiconductor wafer, a rotating disk having a plurality of rotatable disks on its circumference is used. Attach the semiconductor wafer to the disk. In some cases, the disk is moved left and right and up and down while the disk is rotated, and the thin ion beam is sequentially irradiated onto the entire surface of the rotating wafer so as to be uniform. This is called a rotary target method. The wafer undergoes both rotational and translational scanning.
【0004】ビーム走査方式は、ビームが細いのでイオ
ン源から出た直後に扇形磁石からなる質量分離装置によ
って質量分離する。これによって不要なイオンを除去
し、必要なイオンのみをウェファに照射することができ
る。イオン源では必要なイオンを含む化合物のガスを原
料として、これをプラズマにしイオンビ−ムとして引き
出すから、イオンビ−ム中に不要なイオン、対象にとっ
て有害なイオンも含まれる。そこで、質量分離をして必
要なイオンだけを選んで対象たる被照射物に当てるので
ある。扇形の磁極を対向させ、磁芯に捲いたコイルに電
流を流し、磁極間に強い磁場を発生させる。磁力線を直
角に切るようにイオンビ−ムが走行するので、ファラデ
ィ力によってイオンの経路が曲げられる。曲げの加速度
は速度に比例し質量に反比例する。エネルギーが同一の
イオンであっても、質量、速度が違うので曲げの角度が
異なる。これによって質量分離する。In the beam scanning system, since the beam is thin, the mass is separated by a mass separation device composed of a fan-shaped magnet immediately after it is emitted from the ion source. As a result, unnecessary ions can be removed and only the necessary ions can be applied to the wafer. In an ion source, a gas of a compound containing necessary ions is used as a raw material, and this is turned into plasma and extracted as an ion beam, so that unnecessary ions and ions harmful to the target are also contained in the ion beam. Therefore, mass separation is performed and only the necessary ions are selected and applied to the target irradiation object. The fan-shaped magnetic poles are opposed to each other, and a current is applied to the coil wound around the magnetic core to generate a strong magnetic field between the magnetic poles. Since the ion beam runs so as to cut the lines of magnetic force at a right angle, the Faraday force bends the ion path. Bending acceleration is proportional to velocity and inversely proportional to mass. Even if the energy is the same, the bending angle is different because the mass and velocity are different. This causes mass separation.
【0005】質量分離をするので、不要なイオンや有害
な影響を持つイオンなどが被処理物に入るのを防ぐこと
ができる。これは対象物に及ぼす面からの利点である。
もう一つの利益は発熱を有効に防ぐことができるという
ことである。不要イオン、例えば水素を含むイオンなど
が被処理物に照射されると、運動エネルギーが全部熱に
変わるので多大の熱が発生する。不要イオンの入射がな
いので、熱の発生が少ないという利益がある。Since the mass separation is performed, it is possible to prevent unnecessary ions, ions having a harmful influence, etc. from entering the object to be processed. This is an advantage in terms of affecting the object.
Another benefit is that fever can be effectively prevented. When unnecessary ions, such as hydrogen-containing ions, are irradiated onto the object to be processed, a large amount of heat is generated because all the kinetic energy is converted into heat. Since no unwanted ions are incident, there is an advantage that less heat is generated.
【0006】大口径のイオン源から引き出したイオンビ
−ムをそのまま被照射物に照射する方式のものはスルー
プットが高いという利益がある。イオンビ−ムの大きさ
がウェファの大きさより僅かに広いようにすると、1枚
のウェファのイオン注入においてウェファを動かす(走
査)必要がない。回転ターゲットに複数のウェファを取
り付けた場合、1枚1枚のウェファの処理において回転
ターゲットを静止しておき、1枚のウェファの処理が終
わるとターゲットを1枚分回転して次のウェファの処理
をすればよい。The method of directly irradiating the irradiation object with the ion beam extracted from the large-diameter ion source has an advantage of high throughput. If the size of the ion beam is set to be slightly larger than the size of the wafer, it is not necessary to move (scan) the wafer in ion implantation of one wafer. When multiple wafers are attached to the rotating target, the rotating target is kept stationary during the processing of each wafer, and when the processing of one wafer is completed, the target is rotated by one and the next wafer is processed. You can do it.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】ビーム走査を行う方式
では、ビーム光学系は比較的単純である。しかし反面エ
ンドステーションが複雑になる。例えばウェファを戴置
したディスクは、高速回転と、並進速度制御を行わなく
てはならない。並進速度制御は、イオンビ−ム電流に比
例し、ディスクの中心とビーム中心位置の距離に反比例
するような運動であってそれ自体かなり複雑である。こ
のように複雑なエンドステーションの機構は装置の価額
を押し上げる。またイオン注入の操作自体を難しくす
る。また処理速度を上げるために高電流密度のビームを
使うことが多いが、電流密度を上げるとチャージアップ
現象が顕著に現れる。チャージアップによって素子破壊
が起こる可能性がある。このために電流密度を上げるに
も限界がある。In the beam scanning system, the beam optical system is relatively simple. However, the end station becomes complicated. For example, a disk on which a wafer is placed must be subjected to high-speed rotation and translational speed control. The translational velocity control is a motion that is proportional to the ion beam current and inversely proportional to the distance between the center of the disk and the center of the beam, and is quite complicated in itself. This complex end station mechanism adds to the cost of the device. Moreover, the operation itself of ion implantation is made difficult. In addition, a beam with a high current density is often used to increase the processing speed, but when the current density is increased, the charge-up phenomenon becomes prominent. There is a possibility of element destruction due to charge-up. Therefore, there is a limit to increase the current density.
【0008】大口径イオン源を使いビームを走査しない
ものは、ビーム光学系がイオン引き出し系のみであるか
ら、前述のものよりさらに単純である。しかし大口径非
走査の装置は反対に次のような難点がある。 イオンの質量分離を行わないので電極からの不純物が
被処理物に注入される。 分子が注入される為、注入深さがプラズマの状態によ
って変化する。ためにデバイスの特性がばらつく。 イオン源から出る不要なイオンも被処理物に注入され
るために、被処理物の温度上昇が著しい。温度上昇を抑
えるため、電流密度の上限が抑えられる。ためにスルー
プットをそれ以上上げることができない。The one using the large-diameter ion source and not scanning the beam is simpler than the above-mentioned one because the beam optical system is only the ion extracting system. However, the large-diameter non-scanning device has the following disadvantages. Since mass separation of ions is not performed, impurities from the electrode are injected into the object to be processed. Since the molecules are injected, the injection depth changes depending on the plasma state. Therefore, the characteristics of the device vary. Since unnecessary ions emitted from the ion source are also injected into the object to be processed, the temperature of the object to be processed rises significantly. Since the temperature rise is suppressed, the upper limit of the current density can be suppressed. Therefore, the throughput cannot be further increased.
【0009】の問題について更に説明する。例えばS
iにボロン(B)の注入を行う場合、原料ガスとしてジ
ボラン(B2 H6 )を用いる。イオン源からボロンイオ
ンと共に水素イオンH+ 、H2+なども引き出される。質
量分離をしないので水素イオンもSiウェファに入射す
る。運動エネルギーがここで全て熱になる。運動エネル
ギーは、加速エネルギーqVにほぼ等しいので、水素イ
オンでもボロンイオンでもイオン1個当たりのエネルギ
ーはほぼ同じである。ボロンを含むイオンは有効なイオ
ンであるが、ボロンを含まない水素イオンは無効なイオ
ンである。無効であるだけでなくウェファを加熱し温度
を上げる。The above problem will be further described. For example, S
When boron (B) is injected into i, diborane (B 2 H 6 ) is used as a source gas. Hydrogen ions H + , H 2+ and the like are extracted from the ion source together with boron ions. Since no mass separation is performed, hydrogen ions also enter the Si wafer. Kinetic energy becomes all heat here. Since the kinetic energy is almost equal to the acceleration energy qV, the energy per ion is almost the same for both hydrogen ions and boron ions. Ions containing boron are valid ions, but hydrogen ions not containing boron are invalid ions. Not only invalid but also heat the wafer to raise the temperature.
【0010】ウェファにはレジスト膜等が既に作製され
ているから、加熱すると特性が劣化する。例えば400
K以上にしてはならない、などという制限が課される。
大口径イオン源非質量分離方式の場合、イオン全体の約
半分が無効な水素イオンである。水素イオン分の入射に
よってウェファの温度が余計に上がってしまう。もしも
イオンビ−ムから水素イオンを除けば、発熱を半分にす
ることができる。もっとも、水素イオンは拡散係数が高
いので、アニール処理によってウェファから抜けでて行
く。だからウェファにあまり悪影響を及ぼさないが、照
射時に基板温度をいたずらに押し上げるという欠点があ
る。Since a resist film and the like have already been formed on the wafer, the characteristics deteriorate when heated. Eg 400
There are restrictions such as not to exceed K.
In the case of the large-diameter ion source non-mass separation method, about half of all the ions are invalid hydrogen ions. The temperature of the wafer rises excessively due to the incidence of hydrogen ions. If hydrogen ions are removed from the ion beam, the heat generation can be halved. However, since hydrogen ions have a high diffusion coefficient, they escape from the wafer by annealing. Therefore, it does not have a bad influence on the wafer, but it has a drawback of unnecessarily increasing the substrate temperature during irradiation.
【0011】それでは大口径ビームの場合も質量分離を
すれば良いように思える。それはそうなのであるが、断
面積の大きいビームの場合、従来のように扇形断面の磁
石によって質量分離をしようとすると、よほど大きい磁
極をもち強力な磁界を発生する巨大な磁石が必要にな
る。これは不可能とは言わないまでも経済的に得策でな
い。それで大口径ビームの場合、質量分離装置を設けな
いのである。質量分離を行わず大口径のウェファにイオ
ン注入する方法として、PIII法(Plasma Immersion
Ion Implantation )が提案されている。 Plasma Source Sci. Technol. 1 (1992) p1-6.Then, it seems that mass separation should be performed even for a large-diameter beam. As is the case, in the case of a beam having a large cross-sectional area, mass separation using a fan-shaped cross-section magnet as in the past requires a huge magnet having a very large magnetic pole and generating a strong magnetic field. This is not economically feasible, if not impossible. Therefore, in the case of a large-diameter beam, no mass separation device is provided. As a method for implanting ions into a large-diameter wafer without mass separation, the PIII method (Plasma Immersion
Ion Implantation) has been proposed. Plasma Source Sci. Technol. 1 (1992) p1-6.
【0012】これは負電圧にバイアスしたウェファをプ
ラズマ中にさらし、シース領域でイオンを加速し、イオ
ンをウェファ中に注入するとしている。イオン源の中に
ウェファを入れ、プラズマをウェファの負バイアスによ
って加速するもので巧みな方法である。イオンを引き出
す必要がないので引き出し電極が不要である。引出電極
がないので、そこから不純物が発生するということはな
い。前記のの問題を解決できる。It is said that a wafer biased with a negative voltage is exposed to plasma, ions are accelerated in a sheath region, and ions are injected into the wafer. A wafer is put in the ion source and the plasma is accelerated by the negative bias of the wafer, which is a skillful method. No extraction electrode is required because it is not necessary to extract ions. Since there is no extraction electrode, no impurities are generated from it. The above problems can be solved.
【0013】しかし、の問題には尚無力である。ボ
ロンをドープする場合、ソースガスとしてジボラン(B
2 H6 )が用いられるが、水素イオンのウェファへの混
入を避けることができない。ボロンの注入による加熱の
他に、水素イオンの注入による加熱もあって基板温度の
上昇が著しい。ために電流密度をある程度以上に上げる
ことができない。イオン電流を上げることができないの
でスループットが低い。この論文では1枚のSiウェフ
ァに対して、10分かかって1.9×1015/cm2 の
ドーピングをしたという記載がある。しかしながら現在
の半導体工業ではそのように遅い処理では採用すること
ができない。1枚のウェファに処理が1分程度でなけれ
ばならない。つまりスループットが低すぎる。そういう
訳で前記のPIII法は現在のところ工業的には採用さ
れていない。However, this problem is still powerless. When doping with boron, diborane (B
2 H 6 ) is used, but it is unavoidable that hydrogen ions are mixed into the wafer. In addition to the heating by the implantation of boron, the heating by the implantation of hydrogen ions causes a remarkable increase in the substrate temperature. Therefore, the current density cannot be increased above a certain level. Since the ion current cannot be increased, the throughput is low. In this paper, there is a description that one Si wafer was doped with 1.9 × 10 15 / cm 2 for 10 minutes. However, in the current semiconductor industry such slow processing cannot be adopted. One wafer should be processed in about 1 minute. In other words, the throughput is too low. For that reason, the above PIII method has not been industrially adopted at present.
【0014】大口径イオンビ−ムでは何ゆえに質量分離
ができないのか?扇形の磁極を持つ電磁石によって質量
分離をするが、ビーム径が大きいと、磁極を大きくし磁
力も大きくしなければならず、工業的には難しい。しか
し、そういうものと水素イオンなど不要なイオンビ−ム
のウェファへの入射による加熱の問題を最終的に解決す
るためには、どうしても大口径イオンビ−ムを質量分離
する必要がある。Why is mass separation not possible in large-diameter ion beams? Although mass separation is performed by an electromagnet having a fan-shaped magnetic pole, if the beam diameter is large, the magnetic pole must be increased and the magnetic force must be increased, which is industrially difficult. However, in order to finally solve the problem of heating due to the incidence of unnecessary ions such as hydrogen ions on the wafer, it is necessary to mass-separate the large-diameter ion beam.
【0015】大口径のイオンビ−ムを質量分離する手段
を備えた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。質量分離することにより不要イオンが試
料に入射し試料を加熱することのないようにしたイオン
注入装置を提供することが本発明の第2の目的である。
試料のビームによる加熱を抑える事によって、スループ
ットを上げる事のできるイオン注入装置を提供する事が
本発明の第3の目的である。ビームの空間的な一様性、
時間的な変動を実時間で測定できる手段を備えたイオン
注入装置を提供することが本発明の第4の目的である。
ビームの空間的均一性が低下した場合これを監視しイオ
ン注入を停止できる装置を備えたイオン注入装置を提供
することが本発明の第5の目的である。The first object of the present invention is to provide an ion implantation apparatus provided with means for mass-separating a large-diameter ion beam.
Is the purpose of. A second object of the present invention is to provide an ion implantation apparatus in which unnecessary ions do not enter the sample and are not heated by mass separation.
A third object of the present invention is to provide an ion implantation apparatus capable of increasing throughput by suppressing heating of a sample by a beam. Spatial uniformity of the beam,
It is a fourth object of the present invention to provide an ion implantation apparatus equipped with means capable of measuring temporal fluctuations in real time.
It is a fifth object of the present invention to provide an ion implantation apparatus provided with a device capable of monitoring when the spatial uniformity of a beam is deteriorated and stopping the ion implantation.
【0016】[0016]
【課題を解決するための手段】本発明のイオン注入装置
は、短辺と長辺よりなる矩形状断面の帯状イオンビ−ム
を引き出すことのできるイオン源と、帯状ビームの断面
の長辺方向に磁場を短辺方向に電場を印加でき直交する
磁場と電場の組み合わせによって帯状のイオンビ−ムを
質量分離する複数のウィーンフィルタと、所定の質量を
持つ帯状のイオンビ−ムを通す細長い穴のあるスリット
と、スリットのさらに下流側にあって被照射物を支持す
る支持台と、ウィーンフィルタによって経路が曲げられ
た不要イオンの経路上に設けられた複数個のイオン検出
装置と、支持台をスリットの穴の短辺の方向に移動させ
る走査機構とよりなる。The ion implantation apparatus of the present invention is an ion source capable of extracting a strip-shaped ion beam having a rectangular cross section having short sides and long sides, and a strip beam in the long side direction of the cross section. A plurality of Wien filters that can apply an electric field to the magnetic field in the direction of the short side and mass-separate band-shaped ion beams by a combination of perpendicular magnetic fields and electric fields; A support table further downstream of the slit for supporting the irradiation target, a plurality of ion detection devices provided on the path of unnecessary ions whose path is bent by the Wien filter, and the support table of the slit. The scanning mechanism moves in the direction of the short side of the hole.
【0017】本発明はまずイオン源において従来の装置
とは異なる。本発明のイオン源は細長い断面のビームを
発する。本発明のビームは、先述の走査方式のように丸
い断面をもつ細いビームでもなく、先述の大口径イオン
ビ−ムのように広い正方形のビームでもない。細長い断
面を持つ帯状のビームである。被照射物の直径をWとす
る。走査方式のビームはr=bの小さい円形断面のビー
ムを実効的に左右前後に走査する(b<W)。大口径非
走査ビーム方式の場合は、ビームの断面は、Q×Rであ
って、Q、Rの何れもウェファの口径Wよりも大きい
(Q>W、R>W)。本発明のイオンビ−ムはc×Dの
断面を持つが、cはウェファの直径Wより小さい。Dは
Wより大きい。c<W<Dである。だから帯状のビーム
となるのである。走査についても従来例とは異なる。左
右上下に二次元的に走査しない。かと言って全く非走査
であるのでもない。本発明は、短辺cの方向に走査し、
長辺Dの方向には走査しない。一次元的な走査を行う。The present invention first differs from conventional devices in the ion source. The ion source of the present invention emits a beam of elongated cross section. The beam of the present invention is neither a narrow beam having a round cross section as in the above-mentioned scanning method nor a wide square beam as in the large-diameter ion beam described above. It is a strip-shaped beam with an elongated cross section. Let W be the diameter of the irradiation object. The scanning beam effectively scans a circular cross-section beam with a small r = b to the left, right, front, and back (b <W). In the case of the large aperture non-scanning beam system, the beam cross section is Q × R, and both Q and R are larger than the aperture W of the wafer (Q> W, R> W). Although the ion beam of the present invention has a cross section of c × D, c is smaller than the diameter W of the wafer. D is greater than W. c <W <D. Therefore, it becomes a band-shaped beam. The scanning is also different from the conventional example. Do not scan two-dimensionally vertically and horizontally. However, it is not completely non-scanning. The present invention scans in the direction of the short side c,
The long side D is not scanned. Performs one-dimensional scanning.
【0018】[0018]
【発明の実施の形態】イオン源からは例えば横長形状の
イオンビ−ムが、引出電圧に比例したエネルギーを持っ
て引き出される。図1は本発明の構成の概略を示す。イ
オン源1には、イオンにするべき原料ガスを導入し、放
電によってガスをプラズマにし、引き出し電圧を加えて
プラズマ中のイオンをイオンビ−ム2として外部に引き
出す機構が設けられている。引出電極の形状に工夫があ
って、スリット状(帯状)のビームを引き出すようにな
っている。ビーム断面の長い方の辺の方向をX軸に、短
い方の辺の方向をY軸に取る。ビームの進行方向をZ軸
とする。ビームはX方向にDの、Y方向にcの長さ幅を
持つ。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION For example, a horizontally long ion beam is extracted from the ion source with energy proportional to the extraction voltage. FIG. 1 shows the outline of the configuration of the present invention. The ion source 1 is provided with a mechanism in which a source gas to be made into ions is introduced, the gas is made into plasma by discharge, and an extraction voltage is applied to extract the ions in the plasma as an ion beam 2 to the outside. The shape of the extraction electrode is devised so that a slit-shaped (strip-shaped) beam can be extracted. The direction of the longer side of the beam cross section is taken as the X axis, and the direction of the shorter side is taken as the Y axis. The traveling direction of the beam is the Z axis. The beam has a length width of D in the X direction and c in the Y direction.
【0019】ウィーンフィルタ3が帯状のイオンビ−ム
を質量の違いによって分離する。試料(被処理物)に照
射すべきイオンは直進し、その他のイオンは屈折するよ
うにする。ウィーンフィルタ3の前方には細長い穴7を
持つスリット6が設けられる。イオン源の引き出し口、
ウィーンフィルタ中心、穴7は一直線上にある。所定の
質量をもつイオンは直進して穴7を通過できる。それ以
外の質量のイオンはスリット6の板面に当たる。質量の
異なるイオンは試料に照射されないので、試料の温度が
上がるのを防ぐことができる。これが本発明の最も大き
い利点である。The Wien filter 3 separates the band-shaped ion beams by the difference in mass. Ions to be irradiated on the sample (object to be treated) go straight, and other ions are refracted. A slit 6 having an elongated hole 7 is provided in front of the Wien filter 3. Ion source outlet,
The center of the Wien filter and the hole 7 are on a straight line. Ions having a predetermined mass can go straight through the hole 7. Ions having other masses hit the plate surface of the slit 6. Since the ions having different masses are not irradiated on the sample, it is possible to prevent the temperature of the sample from rising. This is the greatest advantage of the present invention.
【0020】穴7を通過したイオンは、戴置台8の上に
固定した試料(ウェファ)9に照射される。ビームのウ
ェファ面への投影はc×Dの細長い矩形状である。D>
Wとすると、X方向のビームの広がりは十分である。そ
こでY方向に戴置台を走査する。そのための走査機構が
あるがここでは図示しない。Y方向の走査によってウェ
ファの全面にビームを注入できる。イオンビ−ム電流は
電流計20によって測定される。The ions having passed through the hole 7 are applied to a sample (wafer) 9 fixed on a mounting table 8. The projection of the beam on the wafer surface is a c × D elongated rectangular shape. D>
If W, the beam spread in the X direction is sufficient. Then, the mounting table is scanned in the Y direction. There is a scanning mechanism for that purpose, but it is not shown here. The beam can be injected over the entire surface of the wafer by scanning in the Y direction. The ion beam current is measured by the ammeter 20.
【0021】スリット6の穴7の下方にファラディカッ
プ11が設置される。これは質量の異なるイオンビ−ム
を受けてその電流量を測定する。同じ原料ガスであれ
ば、所望のイオンの量は不要イオンの量に比例する。フ
ァラディカップに入るイオンビ−ム電流によって、試料
に入るイオンビ−ム電流を評価できる。A Faraday cup 11 is installed below the hole 7 of the slit 6. It receives ion beams of different mass and measures the amount of current. With the same source gas, the amount of desired ions is proportional to the amount of unnecessary ions. The ion beam current entering the Faraday cup allows the ion beam current entering the sample to be evaluated.
【0022】さらにビームの広がりの方向(X方向)に
等間隔に複数のファラディカップを設けることによっ
て、不要イオンビ−ムのX方向の分布を時事刻々知るこ
とができる。同じガスであれば必要イオンビームと不要
イオンビ−ムの量は比例するので、これによってイオン
ビ−ムの均一性を監視できる。空間的なビームの均一性
を監視し不均一であればイオン源やウィーンフィルタを
調整する。調整がうまくゆかない時はイオン注入を中止
する。Further, by providing a plurality of Faraday cups at equal intervals in the beam spreading direction (X direction), the distribution of unwanted ion beams in the X direction can be known from time to time. If the same gas is used, the amounts of the necessary ion beam and the unnecessary ion beam are proportional to each other, so that the uniformity of the ion beam can be monitored. The spatial beam uniformity is monitored, and if non-uniform, the ion source and Wien filter are adjusted. If the adjustment is not successful, stop ion implantation.
【0023】[0023]
【実施例】図1に示すように、イオン源から横長形状
(c×D)のイオンビ−ムが引き出し電圧に相当するエ
ネルギーをもって引き出される。これがウィーンフィル
タ3によって質量によって異なる経路を取るように分離
される。ビームの短辺に平行に電界Eyが、長辺に平行
に磁界Bxが印加される。直交する電界と磁界の作用に
よって、所望のエネルギー、質量のイオンのみを直進さ
せる。ファラディ力FはF=q(E+v×B)によって
表される。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS As shown in FIG. 1, a laterally long (c × D) ion beam is extracted from an ion source with energy corresponding to the extraction voltage. This is separated by the Wien filter 3 so as to take different paths depending on the mass. An electric field Ey is applied parallel to the short side of the beam, and a magnetic field Bx is applied parallel to the long side of the beam. By the action of the electric field and the magnetic field which are orthogonal to each other, only the ions of desired energy and mass are made to go straight. The Faraday force F is represented by F = q (E + v × B).
【0024】ウィーンフィルタの内部で磁場、電場が一
様であるという仮定をすると、ファラディ力のx成分は
0で、y成分はFy=q(Ey−wBx)となる。w=
Ey/Bxのイオンのみが、Fy=0となりウィーンフ
ィルタを直進できる。wはz方向の速度であるが、加速
エネルギーが同一であるから、質量の同じものは同じ力
を受ける。必要なイオン、例えばボロンのみが所定の速
度Ey/Bxを持つように調整しておくと、ボロンのみ
がウィーンフィルタを直進できる。Assuming that the magnetic field and electric field are uniform inside the Wien filter, the x component of the Faraday force is 0 and the y component is Fy = q (Ey-wBx). w =
Only Ey / Bx ions have Fy = 0 and can go straight through the Wien filter. Although w is the velocity in the z direction, since the acceleration energy is the same, those having the same mass receive the same force. If only necessary ions, for example, boron, are adjusted to have a predetermined velocity Ey / Bx, only boron can go straight through the Wien filter.
【0025】電界がビームの短辺に平行になっているか
ら、静電遮蔽が起こらない。そのかわり磁界のかかる方
向がビーム断面の長辺に平行であるから、強い磁石が必
要になる。磁極間距離が広くて、端面磁界が強いものが
用いられる。磁界の方向にビームが太いのであるが、磁
場は電界程には荷電粒子によって遮蔽されず、磁場の力
はビームの内部までに及ぶ。だから幅の広い方向に磁界
を、幅の狭い方向に電界を加えるようにする。Electrostatic shielding does not occur because the electric field is parallel to the short side of the beam. Instead, a strong magnet is required because the direction of the magnetic field is parallel to the long side of the beam cross section. A magnetic pole having a large distance between magnetic poles and a strong end face magnetic field is used. Although the beam is thick in the direction of the magnetic field, the magnetic field is not shielded by charged particles as much as the electric field, and the force of the magnetic field extends to the inside of the beam. Therefore, a magnetic field is applied in the wide direction and an electric field is applied in the narrow direction.
【0026】例えば、ボロンイオンを注入する場合を例
として説明する。ビームのエネルギーを50keVと想
定する。例えば磁場強度Bを1kGとしよう(0.1テ
スラ)。ボロンを直進させるための電界は93326.
6V/mとなる。例えば電極のギャップを10cmとす
ると、電極間に印加するべき電圧は約9.3kVであ
る。イオンビ−ムの断面の長い方に沿って磁場を形成す
るために、ポールピースの間隔はビームの長辺よりも長
くなくてはならない。たとえば30cmの広さを取る。
それに応じて磁石も大きくなる。For example, the case of implanting boron ions will be described as an example. The energy of the beam is assumed to be 50 keV. For example, let the magnetic field strength B be 1 kG (0.1 Tesla). The electric field for moving the boron straight is 93326.
It becomes 6V / m. For example, when the electrode gap is 10 cm, the voltage to be applied between the electrodes is about 9.3 kV. The spacing of the pole pieces must be longer than the long side of the beam in order to create a magnetic field along the longer side of the ion beam. Take, for example, 30 cm.
The magnet grows accordingly.
【0027】このような電場磁場の組み合わせによって
ボロンを直進させる。ボロン(分子量11)を注入する
時にはジボランを原料ガスに用いるが、イオン源から出
るイオンの中で最も多い物は水素分子イオンである。し
かし水素イオンはボロンドープという目的からみると不
要なイオンである。質量分離をしないで、水素分子イオ
ンが50keVのエネルギーをもって試料に衝突する
と、それと同じだけの熱を発生する。不要イオンの為に
試料が著しく加熱されてしまう。本発明の場合はウィー
ンフィルタによる質量分離をするので、水素分子は試料
に注入されない。Boron is made to go straight by a combination of such electric and magnetic fields. Diborane is used as a source gas when boron (molecular weight 11) is injected, but the most abundant ion emitted from the ion source is hydrogen molecular ion. However, hydrogen ions are unnecessary ions for the purpose of boron doping. Without mass separation, when hydrogen molecular ions collide with the sample with energy of 50 keV, the same amount of heat is generated. The sample is heated significantly due to unnecessary ions. In the case of the present invention, since the mass separation is performed by the Wien filter, hydrogen molecules are not injected into the sample.
【0028】図2に水素分子イオンがウィーンフィルタ
の内部でどのように偏向するかを計算した結果を示す。
横軸はウィーンフィルタの入り口からの距離z(m)で
ある。フィルタの軸方向の長さkを20cmとすると、
フィルタの出口での水素分子イオン(分子量2)の偏奇
は25mmである。ここで水素分子イオンは流れの方向
がZ軸から傾いているから、スリットにおいてはさらに
大きく偏奇する。ウィーンフィルタの中心からスリット
までの距離をLとすると、偏奇量ΔはΔ=0.025L
(m)となる。FIG. 2 shows the calculation result of how the molecular hydrogen ions are deflected inside the Wien filter.
The horizontal axis is the distance z (m) from the entrance of the Wien filter. If the axial length k of the filter is 20 cm,
The deviation of hydrogen molecular ions (molecular weight 2) at the outlet of the filter is 25 mm. Here, since the hydrogen molecule ions have a flow direction inclined from the Z axis, the hydrogen molecule ions are further deviated in the slit. If the distance from the center of the Wien filter to the slit is L, the deviation amount Δ is Δ = 0.025L
(M).
【0029】生産用イオン注入装置にはなによりも、高
いスループットが要求される。現在のところ、8インチ
ウェファの場合、ドーズ量が5×1015/cm2 のとき
において、毎時100枚の処理能力が要求される。つま
り1枚当たりの処理時間が36秒である。搬送の時間も
含んでいるから、イオン注入に使える時間は1枚当たり
30秒以下である。The production ion implantation apparatus is required to have high throughput. At present, an 8-inch wafer requires a processing capacity of 100 sheets per hour when the dose amount is 5 × 10 15 / cm 2 . That is, the processing time per sheet is 36 seconds. Since the time for transportation is also included, the time available for ion implantation is 30 seconds or less per sheet.
【0030】このような高いスループットを実現するた
めに、必要な枚数のウェファを円形の戴置台に固定し、
戴置台の全体をビームの短辺の方向に平行移動する。つ
まりy方向に平行移動する。この際、イオンビ−ムの電
流量の変化に応じて並進速度を変化させる必要がある。
イオンビ−ム電流は常にモニタしているので電流値をフ
ィードバックして並進速度を制御できる。In order to realize such a high throughput, a necessary number of wafers are fixed to a circular mounting table,
The entire mounting table is translated in the direction of the short side of the beam. That is, it moves in parallel in the y direction. At this time, it is necessary to change the translation speed according to the change in the current amount of the ion beam.
Since the ion beam current is constantly monitored, the translation speed can be controlled by feeding back the current value.
【0031】ウェファの戴置台は、ウェファを固定しウ
ェファを冷却する。ウェファには高電圧に加速されたイ
オンビ−ムが照射されその運動エネルギーが全て熱に変
わるのであるから基板が著しく加熱される。それを放置
すると、ウェファの上に形成された半導体デバイスが破
壊されたり劣化したりする。加熱を避けるために、ウェ
ファの冷却は必須である。冷却方式としては、静電吸着
力を利用した冷却装置、ガス冷却装置などがある。いず
れの冷却装置を用いても良い。何れにしても冷却能力に
は限界がある。冷却能力の限界が、スループットを規定
する。しかし本発明は不要なイオンが試料に注入されな
いのでその分の熱の注入が少ない。例を挙げて述べる。The wafer mounting table fixes the wafer and cools the wafer. The wafer is irradiated with the ion beam accelerated to a high voltage and all of its kinetic energy is converted into heat, so that the substrate is heated significantly. If left unattended, the semiconductor device formed on the wafer will be destroyed or deteriorated. Cooling of the wafer is essential to avoid heating. As a cooling method, there are a cooling device utilizing electrostatic attraction and a gas cooling device. Either cooling device may be used. In any case, the cooling capacity is limited. The limit of cooling capacity defines the throughput. However, in the present invention, since unnecessary ions are not injected into the sample, the amount of heat injection for that amount is small. An example will be given.
【0032】質量分離後のイオン電流Iが20mA、ビ
ームサイズRが20cm×5cm(c=50mm、D=
200mm)であるとする。これは注入面積S(ウェフ
ァの面積)が20cm×25cmであるとする。ドーズ
量Φは先述のように5×1015cm-2とする。ビームの
1辺の長さと、ウェファの一辺の長さが等しいので、必
要な注入時間Timp は単純に、Timp =qΦS/Iによ
って表される。Ion current I after mass separation is 20 mA, and beam size R is 20 cm × 5 cm (c = 50 mm, D =
200 mm). It is assumed that the implantation area S (area of the wafer) is 20 cm × 25 cm. The dose amount Φ is 5 × 10 15 cm -2 as described above. Since the length of one side of the beam is equal to the length of one side of the wafer, the required implantation time T imp is simply represented by T imp = qΦS / I.
【0033】上のパラメータに対して1枚あたりの注入
時間はTimp =20秒となる。ウエハ注入からウェファ
注入迄に要するロスタイムを10秒と仮定する。これは
十分に実現可能な値である。すると1枚のウェファを処
理するために30秒かかり、スループットは毎時120
枚となる。十分に満足できるスループットである。イオ
ンビ−ム電流が所定の値だけ得られない場合、或いはウ
ェファ温度上昇を避けるためにイオンビ−ム電流をあま
り高くできないときは、ウェファを一度に2枚処理して
スループットを高くすることもできる。この場合はビー
ムの長手方向の寸法を約2倍にする必要がある。For the above parameters, the injection time per sheet is T imp = 20 seconds. It is assumed that the loss time required from wafer implantation to wafer implantation is 10 seconds. This is a sufficiently realizable value. Then, it takes 30 seconds to process one wafer and the throughput is 120 hours / hour.
It becomes a sheet. The throughput is sufficiently satisfactory. When the ion beam current cannot be obtained by a predetermined value, or when the ion beam current cannot be increased so much as to avoid the temperature rise of the wafer, two wafers can be processed at a time to increase the throughput. In this case, it is necessary to double the dimension of the beam in the longitudinal direction.
【0034】所望の質量を持つイオンはスリット6の通
し穴7を通過する。しかしそれ以外の質量を持つイオン
は質量分離器によって偏向される。例えば水素イオンは
強く偏向される。質量分離器によって偏向されたイオン
ビ−ムは、ウェファ手前に設置されたスリット板6に衝
突する。スリット板6の手前にファラディカップ11を
設置することにより、イオンビ−ムをモニタするように
できる。図1ではファラディカップは一つしか現れない
が、実際にはX方向に複数のファラディカップが並んで
設置されている。図3にこの様子が現れる。Ions having a desired mass pass through the through hole 7 of the slit 6. However, ions with other masses are deflected by the mass separator. For example, hydrogen ions are strongly deflected. The ion beam deflected by the mass separator collides with the slit plate 6 installed in front of the wafer. By installing the Faraday cup 11 in front of the slit plate 6, the ion beam can be monitored. Although only one Faraday cup appears in FIG. 1, a plurality of Faraday cups are actually installed side by side in the X direction. This is shown in FIG.
【0035】この例では4つのファラディカップ11
a、11b、11c、11dが等間隔で同じY、Z座標
をもつ直線上に並んでいる。もちろんファラディカップ
の数はもっと多くしてもよい。通し穴7を通過できなか
ったイオンビ−ムの全てがファラディカップに入るので
はない。しかし通し穴を通るイオンビ−ム量A、通し穴
を通らずファラディカップに入るイオンビ−ム量B、通
し穴を通らずファラディカップにも入らないイオンビ−
ム量Cは比例するし、その成分比も同じであるはずであ
る。知りたいのはAであるが、これをBによって検出す
ることができる。4つのファラディカップに流れる電流
をそれぞれの電流計20a、20b、20c、20dに
よって求める。これをA/D変換器21によってデジタ
ル信号に変換する。In this example, four Faraday cups 11
a, 11b, 11c, and 11d are arranged at equal intervals on a straight line having the same Y and Z coordinates. Of course, the number of Faraday cups may be increased. Not all ion beams that cannot pass through the through hole 7 enter the Faraday cup. However, the amount of ion beam A passing through the through hole, the amount of ion beam B entering the Faraday cup without passing through the through hole, and the ion beam not entering the Faraday cup without passing through the through hole
The amount C is proportional, and their component ratios should be the same. What I want to know is A, but this can be detected by B. The currents flowing through the four Faraday cups are obtained by the respective ammeters 20a, 20b, 20c and 20d. This is converted into a digital signal by the A / D converter 21.
【0036】これをディスプレイ22に表示する。画面
にはそれぞれのファラディカップに入るイオンビ−ムに
比例した高さの棒グラフを例示している。これはウィー
ンフィルタを通過した細長いイオンビ−ムの長手方向
(X方向)に沿ったビーム密度に比例する。つまりこれ
は通し穴7を通過するイオンビ−ムのX方向の密度分布
を示す事になる。これによってイオンビ−ムの空間的な
均一性、不均一性を即時に知る事ができる。不要なビー
ムの量を観測するのであるから必要なイオンの照射量が
減るわけではない。オンラインでイオンビ−ムの空間的
ばらつきをモニタできるので、制御性、即時性において
極めて優れている。This is displayed on the display 22. The screen shows a bar graph of the height proportional to the ion beam entering each Faraday cup. This is proportional to the beam density along the longitudinal direction (X direction) of the elongated ion beam that has passed through the Wien filter. That is, this shows the density distribution in the X direction of the ion beam passing through the through hole 7. As a result, the spatial uniformity and non-uniformity of the ion beam can be immediately known. Since the amount of unnecessary beam is observed, the dose of necessary ions does not decrease. Since the spatial variation of the ion beam can be monitored online, it is extremely excellent in controllability and immediacy.
【0037】ファラディカップはスリット板に平行な方
向に移動可能となっている。偏向され検出されるイオン
ビ−ムの種類、イオン源の加速エネルギーによってファ
ラディカップの通し穴からの距離を適当に変更する必要
がある。不要イオン(通し穴を通らない)の内最も多い
のは水素イオンであるから、水素イオンを検出するのが
最も便利であろう。その場合でもイオン源の加速エネル
ギーが違うので、ファラディカップの位置を調整しなけ
ればならない。The Faraday cup is movable in a direction parallel to the slit plate. It is necessary to appropriately change the distance from the through hole of the Faraday cup depending on the type of ion beam deflected and detected and the acceleration energy of the ion source. It is most convenient to detect hydrogen ions because hydrogen ions have the largest number of unnecessary ions (not passing through holes). Even in that case, the acceleration energy of the ion source is different, so the position of the Faraday cup must be adjusted.
【0038】空間的分布を監視しており、もしもビーム
の均一性が悪くなったときは警報を出してイオン注入を
中断することができる。ビームシャッターをビームの経
路に挿入し、これを遮断することによって注入を中止す
ることもできる。しかし本発明の場合は、ウィーンフィ
ルタの条件を変更することによって、それまで注入され
ていたイオンが通し穴を通過せずスリット板に当たる
か、ファラディカップに入るかするようにできる。イオ
ンビ−ムの空間的均一性が悪くなるのはイオン源の調子
が悪いからである。イオン源のパラメータを調べ、これ
を再調整することによって均一性を改善する。その作業
が完了すれば再びイオン注入を開始する。The spatial distribution is monitored, and if the uniformity of the beam deteriorates, an alarm can be issued and the ion implantation can be interrupted. The injection can also be stopped by inserting a beam shutter in the beam path and blocking it. However, in the case of the present invention, by changing the conditions of the Wien filter, it is possible to make the ions that have been injected hit the slit plate without passing through the through holes or enter the Faraday cup. The spatial uniformity of the ion beam deteriorates because the ion source is in poor condition. The parameters of the ion source are examined and readjusted to improve uniformity. When the work is completed, the ion implantation is started again.
【0039】[0039]
【発明の効果】大面積のイオンビ−ムに対してウィーン
フィルタを使って質量分離を行う。このために従来の細
いイオンビ−ムを扱うイオン注入装置と同じように、不
純物を含まないイオン注入が可能になる。高品質のイオ
ン注入処理が可能になる。従来法のように質量分離をし
ないとイオン源から発生する物質が被処理物を汚染す
る。それでイオン源の電極材料や壁面材料その他の部材
の材料が限定され、しかも表面処理などを行わなければ
ならなかった。本発明の場合、イオン源の素材の自由度
が高まり、表面処理などの特別な加工が不要になる。EFFECT OF THE INVENTION Mass separation is performed on a large area ion beam using a Wien filter. For this reason, it is possible to perform ion implantation without impurities, as in the conventional ion implantation apparatus that handles thin ion beams. High quality ion implantation processing becomes possible. Unless mass separation is performed as in the conventional method, the substance generated from the ion source contaminates the object to be treated. Therefore, the electrode material of the ion source, the wall material, and other materials of the member are limited, and moreover, the surface treatment has to be performed. In the case of the present invention, the degree of freedom of the material of the ion source is increased, and special processing such as surface treatment is unnecessary.
【0040】不要なイオンビ−ム、特に水素イオンビ−
ムなどが被処理物に照射されなくなる。ために対象物の
温度上昇がより少なくなる。イオンの種類、エネルギー
などにもよるが、例えば注入されるイオン電流が約半分
に減少し、被処理物に与えられる熱量も半減する。する
と冷却も容易になる。冷却機構もより簡単化される。反
対に同じ温度まで上がって良いとすれば、イオンビ−ム
電流を約2倍に上げることができる。Unnecessary ion beam, especially hydrogen ion beam
The object to be processed is not irradiated. Therefore, the temperature rise of the object becomes smaller. Although depending on the type and energy of the ions, for example, the ion current injected is reduced to about half, and the amount of heat given to the object to be processed is also halved. Then, cooling becomes easy. The cooling mechanism is also simplified. On the contrary, if the temperature can be raised to the same temperature, the ion beam current can be increased about twice.
【0041】温度上昇が抑制されるというのが本発明の
最も大きい特徴である。この点を例証するために具体的
な計算例を示す。本発明のように質量分離をする場合
と、質量分離をしない場合の温度上昇を比較する。注入
時間が同じになるように、それぞれのビームパラメータ
を調整し、ウェファの温度上昇の違いを調べた。Siに
p型不純物としてのボロンをイオン注入する場合を例と
する。水素ガスとジボランガスなどを利用するから、ボ
ロンイオンの他に水素イオンも混ざっている。質量分離
をしない場合、ボロンをドープする際、ボロンイオン以
外に水素イオンが混在しており、水素イオンも被処理物
に注入される。The greatest feature of the present invention is that the temperature rise is suppressed. A concrete calculation example is shown to illustrate this point. The temperature rise in the case of performing mass separation as in the present invention and in the case of not performing mass separation will be compared. The beam parameters were adjusted so that the implantation time was the same, and the difference in the temperature rise of the wafer was investigated. An example is a case where boron as a p-type impurity is ion-implanted into Si. Since hydrogen gas and diborane gas are used, hydrogen ions are mixed in addition to boron ions. When mass separation is not performed, when boron is doped, hydrogen ions are mixed in addition to boron ions, and the hydrogen ions are also injected into the object to be processed.
【0042】典型的な値としては、ボロンイオン:水素
イオン=1:1である。従ってイオンビ−ムの内約半分
が水素イオンである。水素イオンが注入されるのでウェ
ファが余計に加熱され温度が上がる。ところで、イオン
注入量(或いはドーズ量)は、実際にはボロンイオンの
注入量によって決まる。従って注入時間はボロンイオン
ビーム量によって計算しなければならない。ここで、質
量分離ありの場合と、質量分離なしの場合の違いを評価
するために、注入時間が同じになるようにしてビームパ
ラメータを調整し、ウェファ温度上昇を解析した。A typical value is boron ion: hydrogen ion = 1: 1. Therefore, about half of the ion beams are hydrogen ions. Since the hydrogen ions are injected, the wafer is heated excessively and the temperature rises. By the way, the ion implantation amount (or dose amount) is actually determined by the boron ion implantation amount. Therefore, the implantation time must be calculated by the amount of boron ion beam. Here, in order to evaluate the difference between the case with mass separation and the case without mass separation, the beam parameters were adjusted so that the injection time was the same, and the wafer temperature rise was analyzed.
【0043】質量分離なしのイオン源から引き出される
ビームのエネルギーが50keVであるとする。ボロン
のイオン電流密度jは30μA/cm2 とする。所望の
ボロン濃度Φが5×1015/cm2 とする。これはFE
Tのソース、ドレインを作るための普通の濃度である。
被処理物の寸法を8インチ角とする。これだけのボロン
イオンを一括ドープする。注入時間Timp は、It is assumed that the energy of the beam extracted from the ion source without mass separation is 50 keV. The ion current density j of boron is 30 μA / cm 2 . The desired boron concentration Φ is 5 × 10 15 / cm 2 . This is FE
It is a normal concentration for making the source and drain of T.
The size of the object to be processed is 8 inches square. This amount of boron ions is collectively doped. The injection time T imp is
【0044】Timp =qΦ/jT imp = qΦ / j
【0045】によって与えられる。qは電荷単位(1.
6×10-19 C)である。この計算によると注入時間は
27秒である。ところが、実質的なイオン電流密度とい
う表現は、今の場合ボロンイオンのみを表している。ボ
ロンと水素が半々であるとすれば、イオン源から引き出
されるイオン電流密度は前記の密度を2倍して、60μ
A/cm2 の程度である。8インチ角であるから面積を
これに乗じて、全イオン電流は24mAであり、ボロン
の実質的な電流は12mAである。Is given by q is a charge unit (1.
6 × 10 -19 C). According to this calculation, the injection time is 27 seconds. However, the expression “substantial ion current density” only represents boron ions in this case. If boron and hydrogen are 50 and 50, the ion current density extracted from the ion source is 60 μ, which is twice the above density.
It is about A / cm 2 . Since it is 8 inches square, the area is multiplied by this, and the total ion current is 24 mA, and the substantial current of boron is 12 mA.
【0046】ウェファに投入されるイオンビ−ムのパワ
ーPは、P=Vjであるから、3W/cm2 となる。こ
の時のウェファの温度上昇を測定した。図4にこの結果
を示す。横軸は時間、縦軸は温度である。10秒の注入
によって温度は約120℃上昇する。20秒程度で温度
上昇が飽和し、約150℃上昇する。27秒では、ほぼ
450Kつまり177℃になる。これが質量分離をしな
いときの試料の温度上昇である。The power P of the ion beam applied to the wafer is 3 W / cm 2 because P = Vj. The temperature rise of the wafer at this time was measured. This result is shown in FIG. The horizontal axis is time, and the vertical axis is temperature. A 10 second injection raises the temperature by about 120 ° C. The temperature rise is saturated in about 20 seconds and rises by about 150 ° C. At 27 seconds, the temperature is almost 450K, that is, 177 ° C. This is the temperature rise of the sample when mass separation is not performed.
【0047】本発明のように質量分離をする場合を考え
る。ウィーンフィルタを使うので、8インチ角(20c
m×20cm)の大口径ビームをそのまま使うことはで
きない。より細長い短冊型断面のビームを用いる。1辺
を共通とし、20cm×5cmの断面のイオンビ−ムを
使う事にしよう。オーバースキャンを考慮し、注入面積
は20cm×25cmとする。この条件において27秒
の注入時間を維持するとするとビーム量Iは15mAで
ある。これはI=qΦS/tによって求めた値である。
15mAというのはボロンイオン電流である。本発明で
は質量分離するのでイオン源から出た全イオン電流は3
0mAである。Consider a case where mass separation is performed as in the present invention. Since a Wien filter is used, 8 inch square (20c
It is impossible to use a large-diameter beam (m × 20 cm) as it is. A beam with a narrower strip cross section is used. Let's use an ion beam with a cross section of 20 cm x 5 cm with one side being common. The implantation area is set to 20 cm × 25 cm in consideration of overscan. If the implantation time of 27 seconds is maintained under this condition, the beam amount I is 15 mA. This is a value obtained by I = qΦS / t.
15 mA is the boron ion current. In the present invention, since mass separation is performed, the total ion current emitted from the ion source is
It is 0 mA.
【0048】ウェファの単位面積当たりに投入されるイ
オンビームパワーは1.5W/cm2 である。これは前
記の質量分離しない場合の値3W/cm2 の半分であ
る。水素イオンが入らないから、それによる1.5W/
cm2 だけ減少している。所定の注入時間(27秒)
で、2往復のスキャンによって注入を完了するべきもの
とする。スキャン速度は、25×4/27=3.7cm
/sとなる。The ion beam power applied per unit area of the wafer is 1.5 W / cm 2 . This is half the value of 3 W / cm 2 when the mass separation is not performed. Since hydrogen ions do not enter, 1.5W /
It is reduced by cm 2 . Predetermined infusion time (27 seconds)
Then, the injection should be completed by two reciprocating scans. Scan speed is 25 x 4/27 = 3.7 cm
/ S.
【0049】このような条件でウェファの温度変化を測
定すると図5のようになる。ある領域にビームが照射さ
れている時その温度は急上昇する。しかしビームが遠ざ
かると放熱(熱伝導と輻射)によって温度が下がる。温
度は図5のように鋸状の変動をする。これは100秒ま
での温度変化を測定したものである。この例では27秒
で所望の5×1015/cm2 のドープができるから27
秒でイオン注入を打ち切れば良い。試料の温度は初め3
80Kまで上がり、315Kまで下がる。さらに390
Kまで上がって320Kまで下がる。最終的に室温から
100℃以下の温度変化しかしない。図4の場合は温度
は単調に増大し450Kにまで到達する。本発明の場合
はそれより50℃以上低い事になる。When the temperature change of the wafer is measured under such conditions, it becomes as shown in FIG. When a region is irradiated with a beam, its temperature rises sharply. However, when the beam moves away, the temperature drops due to heat dissipation (heat conduction and radiation). The temperature has a sawtooth variation as shown in FIG. This is a measurement of temperature change up to 100 seconds. In this example, the desired doping of 5 × 10 15 / cm 2 can be completed in 27 seconds.
Ion implantation may be terminated in seconds. Sample temperature is 3 at the beginning
It goes up to 80K and goes down to 315K. Further 390
It goes up to K and goes down to 320K. Finally, there is only a temperature change from room temperature to 100 ° C or less. In the case of FIG. 4, the temperature monotonously increases and reaches 450K. In the case of the present invention, it is lower than that by 50 ° C or more.
【0050】その原因は、水素イオンビ−ムを分離しこ
れが試料に入射しなくなったことである。イオンビ−ム
が約半分になるから加熱の度合いも弱くなる。もう一つ
はビームが帯状に細くて短辺の方向に走査しなければな
らず、走査のために放熱がされ易いということである。
温度上昇が少ないから素子が破壊されない。これは本発
明の優れた利点である。この例について数値を表にして
示す。The cause is that the hydrogen ion beam is separated and does not enter the sample. Since the ion beam becomes about half, the degree of heating becomes weak. The other is that the beam must be thin in the shape of a strip and must be scanned in the direction of the short side, and heat is easily dissipated due to the scanning.
Since the temperature rise is small, the device is not destroyed. This is a great advantage of the present invention. The values are shown in a table for this example.
【0051】[0051]
【表1】 [Table 1]
【0052】表1によって、大口径のイオンビ−ムに対
して質量分離を行う本発明の優れた点が明らかになる。
試料の温度上昇が、質量分離をしないものに比較して少
なくなる。この例では水素イオンとボロンイオンの比が
1:1であるから試料に与える熱量はほぼ半分になる。
これ以外の場合でも、水素イオンなど不要なイオンの試
料への注入を防ぐ事ができるので試料の温度上昇を効果
的に抑制することができる。Table 1 reveals the advantages of the present invention in which mass separation is performed on a large-diameter ion beam.
The temperature rise of the sample is smaller than that without mass separation. In this example, since the ratio of hydrogen ions to boron ions is 1: 1, the amount of heat given to the sample is almost halved.
Even in cases other than this, it is possible to prevent unnecessary ions such as hydrogen ions from being injected into the sample, so that the temperature rise of the sample can be effectively suppressed.
【0053】エンドステーションが、従来のように回転
と並進の組合わさった運動を行う複雑な機構でなく、単
に並進機構のみで済む。これによってエンドステーショ
ンの構造を簡略化できるので、コストダウンが可能とな
る。その並進運動にしても、イオンビ−ム量にのみ追随
するだけでよいので制御が簡単になる。The end station does not have to have a complicated mechanism for performing a combined motion of rotation and translation as in the conventional case, but only a translation mechanism. As a result, the structure of the end station can be simplified, and the cost can be reduced. Even if the translational movement is performed, it is sufficient to follow only the ion beam amount, and therefore the control becomes simple.
【0054】従来の機構は回転ターゲットを用い、ビー
ムを絞って試料に照射していたが、本発明はビームを収
束する必要がない。為にウェファにおけるビームの電流
密度をより小さくできる。チャージアップ抑制する事が
可能である。例えば通常の回転ターゲット方式の場合、
約0.6mA/cm2 〜1mA/cm2 の電流密度のビ
ームを照射するが、本発明の場合0.15mA/cm2
程度でよく、半分以下の電流密度で十分である。回転タ
ーゲットの場合にビームを収束させる必要があるのは、
ビームサイズが回転ターゲットの注入面積に比較して大
きい場合、注入均一性が保証されないからである。In the conventional mechanism, a rotating target was used and the beam was focused on the sample for irradiation. However, the present invention does not require the beam to be focused. Therefore, the current density of the beam in the wafer can be made smaller. It is possible to suppress charge-up. For example, in the case of a normal rotating target system,
A beam having a current density of about 0.6 mA / cm 2 to 1 mA / cm 2 is irradiated, but in the case of the present invention, it is 0.15 mA / cm 2.
The degree is sufficient, and a current density of half or less is sufficient. For rotating targets, the beam must be focused
This is because if the beam size is large compared to the implantation area of the rotating target, implantation uniformity is not guaranteed.
【0055】本発明は基本的にイオンビ−ムを直進させ
る。ウィーンフィルタを用いて質量分離を行うからであ
る。直進するビームを扱うから、ビーム光学系の補正な
どを考慮する必要がない。光学系の設計が容易である。
ウィーンフィルタ内の磁場強度と電界強度がビーム存在
領域において均一であれば良い。電界の均一性を得るた
めに、例えば、電極の端に突起を付けるという事が行わ
れる。突起によって電界強度が補正され均一性が高ま
る。The present invention basically advances the ion beam straight. This is because mass separation is performed using a Wien filter. Since the beam that goes straight is handled, it is not necessary to consider the correction of the beam optical system. The design of the optical system is easy.
It is sufficient that the magnetic field strength and the electric field strength in the Wien filter are uniform in the beam existing region. In order to obtain the uniformity of the electric field, for example, a protrusion is attached to the end of the electrode. The projections correct the electric field strength and improve the uniformity.
【0056】またビームを短辺と長辺よりなる矩形断面
のビームとし、長い辺と磁界の方向を平行にしている。
このためにフィルタからスリットまでの距離を長く取る
必要がない。これも大きな利点である。選択されないビ
ームは電界の方向(Y方向)に曲がるから、電界の方向
に薄いと僅かな変位でビームを分離することができる。
図6にこれを示す。図6(a)、(b)のように本発明
では、ビームは偏平で電界の方向に薄く、磁場の方向に
は厚い。Further, the beam is a beam having a rectangular cross section consisting of a short side and a long side, and the long side is parallel to the magnetic field direction.
Therefore, it is not necessary to increase the distance from the filter to the slit. This is also a great advantage. Since the unselected beam bends in the direction of the electric field (Y direction), if it is thin in the direction of the electric field, the beam can be separated with a slight displacement.
FIG. 6 illustrates this. In the present invention as shown in FIGS. 6A and 6B, the beam is flat and thin in the electric field direction and thick in the magnetic field direction.
【0057】薄い方向にビームが質量分離するから、フ
ィルタからスリット迄の距離を短くできる。もしも反対
に、磁場の方向に薄いビームとする(図6(c)、
(d))と、ビームを分離するために、フィルタからス
リットまでの距離を長くしなければならない。ウィーン
フィルタの磁場と電場の非対称性を巧みに利用したビー
ム断面の選択である。不要イオンを単に排除するだけで
はない。これを積極的に利用し、スリット板の前にファ
ラディカップを設け、ビームの空間的均一性をモニタし
ている。ビームの不安定性を検出し直ちに対処すること
ができる。Since the beam is mass-separated in the thin direction, the distance from the filter to the slit can be shortened. If, on the contrary, the beam is thin in the direction of the magnetic field (Fig. 6 (c),
(D)), the distance from the filter to the slit must be increased in order to separate the beams. This is the selection of the beam cross-section by skillfully utilizing the asymmetry between the magnetic field and the electric field of the Wien filter. It is not just the elimination of unwanted ions. By positively utilizing this, a Faraday cup is installed in front of the slit plate to monitor the spatial uniformity of the beam. Beam instability can be detected and immediately addressed.
【図1】本発明のイオン注入の概略構成図。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of ion implantation of the present invention.
【図2】ウィーンフィルタの内部において水素イオンビ
−ムが描くビーム軌跡の図。横軸がフィルタ内のビーム
進行方向の距離、縦軸は水素イオンビ−ムの中心軸線か
らの変位量。FIG. 2 is a diagram of a beam trajectory drawn by a hydrogen ion beam inside a Wien filter. The horizontal axis represents the distance in the beam traveling direction inside the filter, and the vertical axis represents the amount of displacement from the central axis of the hydrogen ion beam.
【図3】スリット板の前に設けるファラディカップ群の
概略図。FIG. 3 is a schematic view of a Faraday cup group provided in front of a slit plate.
【図4】質量分離を行わない場合においてウェファの温
度上昇の時間的推移を示すグラフ。横軸はイオン注入の
時間、縦軸は温度。FIG. 4 is a graph showing the time transition of the temperature rise of the wafer when mass separation is not performed. The horizontal axis is the time of ion implantation, and the vertical axis is the temperature.
【図5】質量分離を行う本発明においてウェファ温度上
昇の時間的推移を示すグラフ。横軸はイオン注入の時
間、縦軸は温度。FIG. 5 is a graph showing a time transition of wafer temperature rise in the present invention in which mass separation is performed. The horizontal axis is the time of ion implantation, and the vertical axis is the temperature.
【図6】ウィーンフィルタ内のビームの方向の違いによ
って分離に必要なビームラインが異なることを説明する
ための図。FIG. 6 is a diagram for explaining that a beam line required for separation is different depending on a direction of a beam in a Wien filter.
1 イオン源 2 イオンビ−ム 3 ウィーンフィルタ 4 直進するイオンビ−ム 5 偏奇するイオンビ−ム 6 スリット板 7 イオンビ−ム通し穴 8 ウェファ戴置台 9 ウェファ 11 ファラディカップ 20 電流計 21 A/D変換器 22 ディスプレイ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ion source 2 Ion beam 3 Wien filter 4 Straight ion beam 5 Deviating ion beam 6 Slit plate 7 Ion beam through hole 8 Wafer mounting table 9 Wafer 11 Faraday cup 20 Ammeter 21 A / D converter 22 display
Claims (1)
出されるイオンビ−ムに対してウィーンフィルタにより
注入するべきイオンを直進させ他のイオンは質量分離
し、分離したイオンを複数個等間隔で並んだファラディ
カップにより測定し、イオンビ−ムの均一性と照射量を
監視し、エンドステーションによって試料を保持し、イ
オンビ−ム断面の短辺方向のみにビームに対して試料を
走査し、イオン電流の値によって走査速度を制御するよ
うにしたことを特徴とするイオン注入装置。1. An ion beam extracted from a plurality of strip-shaped ion extraction ports is caused to go straight by an ion to be injected by a Wien filter, and other ions are mass-separated, and the separated ions are arranged at equal intervals. Measured by Faraday cup, monitoring the uniformity and dose of ion beam, holding the sample by the end station, scanning the sample against the beam only in the short side direction of the ion beam cross section, and measuring the ion current value An ion implanter characterized in that the scanning speed is controlled by.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8047944A JPH09219173A (en) | 1996-02-09 | 1996-02-09 | Ion injection device |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP8047944A JPH09219173A (en) | 1996-02-09 | 1996-02-09 | Ion injection device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JPH09219173A true JPH09219173A (en) | 1997-08-19 |
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JP (1) | JPH09219173A (en) |
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1996
- 1996-02-09 JP JP8047944A patent/JPH09219173A/en active Pending
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