JPS60105153A - イオン注入装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 磨１」」Ｉわ１生顆 本発明は一般に予め選定された化学元素のイオンをター
ゲット素子に杓込むための装置及び方法に関し、特に、
例えば大規模集積回路チップのような半導体装置の製造
工程の一部として導電率変換用の化学不純物を半導体ウ
ェーハに打込むための装置及び方法に関する。

従来の技術 本発明の装置及び方法は、金属の表面にイオンを杓込ん
で表面合金化を生じさせるのに有用であり、また他の用
途にも有用であるが、現今のイオン打込みの主な商業上
の使用は大規模集積回路（ＬＳＩＧ）チップの製造にあ
る。それで、本明細書においては本発明の方法及び装置
をＬＳＩＣチップの製造について説明するが、本発明は
これに限定されるものではない。ＬＳＩＣ分野における
本発明の重要性を理解するだめの一部として、ＩＣ製造
に対する若干の背景情報を以下説明する。

先ず、半導体処理過程におけるイオン打込みの作用につ
いて説明する。

集積回路（ＩＣ）チップ上の半導体装置の集積化の規模
及びかかる装置の動作速度における極めて大きな改良が
過去数年間において得られている。

かかる改良は、集積回路製造設備における数多くの進歩
、及び未加工の半導体ウェーハをＩＣチップに加工する
際に用いる材料及び方法の改良によって可能となったも
のである。製造設備におりる最も顕著な進歩は、リソグ
ラフィ及びエツチングのための装置の改良、及び導電率
変換用不純物のイオンを半導体ウェーハに打ち込むため
の装置の改良であった。

一般に、集積回路の密度及びその動作速度は、半導体ウ
ェーハのマスキング層内に回路素子のパターンを形成す
るのに用いるリソグラフィ及びエツチング装置の精度及
び分解能に大きく依存する。

しかし、密度及び速度はまた、ウェーッ＼のドーピング
領域、即ち導電率変換用不純分の実質的な濃度が添加さ
れた。領域の形状の厳格な制御にも依存する。ウェーハ
ドーピングの厳格な制御は、イオン打込みの技術及び設
備を用いて最良に達成することができる。

導電体絶縁体シリコン（ＣＩＳ）装置の大規模集積回路
（］、ＳＩ）及び超大規模集積回路（ＶＬＳＩ）は、ウ
ェーハ面積をより効率的に利用し、装置間の相互接続体
を短かくし、形状をより小さくし、及びノイズを減らず
ことによって改良される。これら改良の全ては、その大
部分が、イオン１１込みドーピング方法を用いることに
よって可能となる。

バイポーラ回路の製造もイオン打込みで改良さされてき
ている。この加工技術においては、改良は、イオン打込
みで予備デボシリコンを行ない、且つ同時に、イオン打
込み設備の特性である低ｌη染性及びホトレジストマス
キングとの融和性を利用することよってなされている。

ウェーハの表面に１′−パン１月の気体式またし；スピ
ンオン式のデポジションを行ない、次いで高温炉拡散操
作を行なってドーパント材を半導体ウェーハ内に等方性
的に追い込む、即ち、ドーパント分子がウェーハ内に横
方向及び垂直方向に入ってゆく、という方法では半導体
ウェーへの小さな幾何学的領域のドーピングを適切に行
なうことができないということは業界に周知である。Ｌ
ＳＩＣまたばνＬＳＩＣ（超大規模集積回路）ウェーハ
に対して要求されるドーパントの分布、濃度及び横形状
の種類により、イオン１込みは精選されたドーピング加
工となる。イオン打込みをもってのみ得られるドーピン
グの一様性は、より小形の装置の製作において極めて重
要なものである。また、ウェーハを横切るドーピングの
一様性及びウェーハからウェーハへの反復性は、イオン
打込みをもって得られるものであり、高密度装置の製作
歩留りを著しく改善する。

次に、イオン１込みの使用例について説明する。

第１図ないし第３図に、半導体ウェーハ上にＣＩＳ集積
回路装置を作る際に用いる−続きのイオン打込み工程を
示す。第１図は、ウェーハのフィールド領域１４内に低
濃度打込み部を作るためにＰ形つェーハ１０に対して行
なわれる第１のイオン打込み工程を示すものである。フ
ィールド領域１４とは、ここでは、ホトレジストの領域
１１で覆われてないウェーハの領域と定義する。ホトレ
ジストの領域１１は標準のりソグラフィ加工を用いて形
成される。即ち、レジスＩ・の薄い層をウェーハの全面
に広げ、次いで、マスクパターンを通じて、または直接
走査式電子ビームによって、選択的に露光する。その次
に現像工程が続き、光または電子にさらされたホトレジ
ストの領域を除去する。これはポジティプレジスト＋Ａ
を用いるポジティブリソグラフィ処理として知られてい
る。

上記レジストＮを露光及び現像した後、一般に、熱酸化
物の薄＋１１２が上記半導体ウェーハの露光済み面の上
をおおって成長させられ、フィールド領域１４内の打込
み部は上記薄い酸化物層を通じて作られることになる。

硼素のようなＰ形材料のイオンの軽い打込みを、イオン
打込み装置を用いて行なう。このフィールド打込み部は
、ホトレジスト材の領域１１の下に横たわっている活性
装置領域相互間の電気的絶縁を大きくするために作られ
る。

第１図に示す打込み工程の後、一般に、ウェーハ１０を
炉に入れ、厚いフィールド酸化物領域１５を湿式酸化処
理で成長さセる。この酸化処理中に、打込み済みイオン
即ちフィールド領域１４は半導体基体内へ追い込まれて
フィールド酸化物領域１５の下に横たわる。

この工程の後、マスキング領域即ちボトレジスト領域１
１を除去し、薄いゲート酸化物１７を活性装置領域１８
内に形成する。この時点で、燐のようなＮ形ドーパント
材を用いて第２のイオン打込みを行ない、上記活性領域
内に形成されるべきシリコンゲート電界効果トランジス
タ装置のスレショルド電圧を調整する。即ち、Ｎ形ドー
パントイオン１６をゲート酸化物層１７を通じて軽打込
み部ステップ状に打込んで打込み済み領域即ち活性装置
領域１８を作る。

この軽いスレショルド設定用打込み行なった後、リソグ
ラフィ及びエツチング処理を行なってウェーハ上に電界
効果トランジスタ装置を形成し、第３図に示す装置形態
を作る。その後、Ｎ形イオンの高濃度打込みを行って、
シリコンゲート部材１９並びにソース領域２１及びトレ
イン領域２２を同時にドーピングし、シリコンゲート電
界効果トランジスタ装置の基本的構造を作り上げる。

集積回路を完成にするには上記のほかに多くの製作工程
が必要であり、これら工程としては、ウェーハ全体をお
おう酸化物または窒化物の絶縁層の形成、ソース、ドレ
インおよびシリコンゲートに対する接点開口部を作るた
めにリソグラフィ及びエツチング処理による接点開口部
の形成、及びその後に、ウェーハ上の種々の装置を接続
して総合集積回路にするために導電体回路網を作るため
の導電材の通路の形成がある。

以上の概略説明から解るように、未加工のつ工−ハから
完成品半導体ＩＣ装置を作るために半導体ウェーハに対
して行う多数の個別的処理工程がある。これら個別的処
理工程の各々は、歩留りの損失を生ずる可能性のある操
作である。即ち、該工程が適切に行われないと、個別の
ウェーハ（またはバッチ処理操作におけるバッチのウェ
ーハ）上のＩＣ装置の全部または大きな部分が不良とな
る可能性がある。また、イオン打込みのような処理工程
では、ウェーハの面を横切るイオン打込み部の放射線量
の均一性によって各個別的ウェーハ上の良品チップの歩
留りが決まることが極めて大きい。

次に、イオン打込み装置の望ましい特徴を述べる。

イオン打込み技術を用いるＬＳＩ装置製造分野において
切望されているものの一つは、特に、ＬＳＩ製造処理に
おいて益々一般化しつつある高濃度打込みに対して、打
込み実施費用を甚だしく増大させることなしにイオン打
込み装置のウェーハ処理能力を改善することである。イ
オン打込み装置におけるウェーハ処理■を決定する主な
パラメータはイオンビーム電流である。現代のイオン打
込む装置とし−Ｃは、イオンビーム電流発生能力を大き
く異にする多数の異なる装置があり、そのうちには、今
日のところ高電流装置と考えられている約１０ミリアン
ペア（ｍＡ）の砒素イオンビーム電流を発生するもので
ある。

次に、従来のイオン打込み装置について説明する。

現時の高電流装置は極めて大形且つ高価である。

例えば、代表的な１６０ｋＶ、ｌＱｍＡイオン拐込み装
置としては、［１１約３．３５ｍ（１１フイート）、長
さ約５．４９ｍ　（１８フイート）の装置がある。イオ
ン打込み装置の技術上の基本的な核心的部分はイオンビ
ームライン自体である。その代表的な一例を第５図に示
す。このビームラインの寸法により、イオン打込み装置
全体の大きさがかなりの程度まで決まる。

第４図及び第５図に、従来のイオン打込み装置の種な構
成部材及び従来の全てのイオン打込み装置の代表的なイ
オンオブテイクスを示す。第４図は、［ヌークリア・イ
ンストルーメンツ・アンド・メソソズＪ　（Ｎｕｃｌｅ
ａｒ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄ
ｓ）誌、第１３９巻（１９７６年）、第１２５頁ないし
第１３４頁に所載の本発明者の論文ｒ２００にシ工業用
高電流イオン打込み装置に対する設計原理」（Ｔｈｅ　
Ｄｅｓｉｇｎ　Ｐｈ１ｌｏｓｏｐｈｙ　ｆｏｒ　ａ　２
００　ｋＶｌｎｄｕｓＬｒｉａｌ　Ｉｌｉｇｈ　Ｃｕｒ
ｒｅｎｔ　Ｉｏｎ　ｌ１ｐｌａｎｔｏｒ　）力１ら取っ
、たシリーズＩＩＩＡＩＴイオン打込み装置の配置を略
示するものである。この論文に記載されている装置は、
商用型を作る前に細部を若干変更したが、構成部材の一
般的配置は同じままになっている。第５図はビームライ
ン構成部材の略斜視図である。イオンビーム３１は引出
し電極組立体２５によってイオン源３０から引き出され
る。上記イオン源から出てくるビームは横断面矩形のリ
ボン状ビームであり、８：工ないし３０：ｌの一般的縦
横比を有す。

イオン源３０からの発散ビームは、回転式人口磁極４６
を有する分析用磁石に入る。これにより、上記ビームは
、静電式合焦レンズを何等使用せずに、分解用スリット
５１内に合焦させられる。上記ビームが分析用磁石４０
の両極間の飛行管を通過すると直ちに、該ビームは、ウ
ェーハ処理装置７０へ到達するビーム電流を制御するベ
ーン装置４８に来る。上記ベーン装置は高速ステンプモ
ータによって駆動され、１ステツプ当たり約０．１％ず
つ電流を変化させることができる。このステップ時間は
１ミリ秒である。上記ベーン装置及び分析用磁石並びに
上記イオン源は加速器端末内にあり、該端末はＬ６０ｋ
Ｖまでの電圧で浮動して上記ビームの後段加速を行うこ
とができる。

上記イオンビームの後段加速は単一のギヤ７１５５両端
間で得られる。後段加速ギャップ５５の直ぐ後には、ビ
ームがウェーハ処理装置７０に入る前のビーム電流測定
用の磁気的に制御されるシャッタ５６がある。

真空装置は、差動ポンプ作用する４つの段から成ってい
る。その拡散ポンプの機能は、半導体用に使用される場
合に、主として、装置内の空気分圧を低く保持すること
である。

次に、従来の一般的のイオンビームオプティクスについ
て説明する。

第５図について説明すると、従来のイオン打込み装置に
おける代表的なビームラインは、イオンａ装置３０、分
析用磁石装置４０、分解用スリ・ノド装置５０、後段加
速装置６０、及びウェー／”１処理装置７０を有ず。イ
オン源３０において発生したイオンは電極構造体（図示
せず）によって引き出され、分析用磁石４０の磁極ギャ
ップへ向かつて導かれるリボン状ビームとなる。図示の
ように、上記イオンビームは、分析用磁石４０の分散平
面と平行な平面内で発散する。上記平面は上部磁極面４
１と下部磁極面４２との間の中央平面である。

上部磁極４１と下部磁極４２との間の磁極ギャップ内で
、イオンビーム３１中のイオンはその電荷対質量比に従
って分類される。各個別イオンが上記磁極ギャップに入
ると、その飛行線は、該イオンの質量の平方根に比例す
る半径Ｒの通路内へ曲げられる。上記引出し装置は、イ
オンが上記磁石の両極間の飛行管に入るときに同質量の
全てのイオンが実質的に同し速度を有するように働き、
従ってイオンの調和的分散が上記分析用磁石内で生ずる
。分析用磁石装置４０はまた、上記飛行管を飛行するイ
オンの半径路長の変化によって発散するビームを再収束
する。

選定された電荷対質量比を有するイオンは、分解用スリ
ット装置５０内のアパーチャ即ちスリット５１を通って
上記分析用磁石によって合焦されて後段加速装置６０に
入り、該装置において該イオンは予め選定されたエネル
ギーに更に加速され、その後、ウェーハ取扱装置即ち処
理装置７０内のヒートシンク装置７２上に取伺けられて
いるつニーハフ１を衝撃する。

電荷対質量比を実質的に異にするイオンは加速用磁石を
通過して分解用スリット５１の左または右へ収束させら
れ、このようにして、目標のつニーハフ１を衝撃する最
終的イオンビームから選別される。

次に、従来のイオン打込み装置における発展的開発につ
いて説明する。

最初のイオン打込み装置においては、イオン源アパーチ
ャは一般に点源に近似した小さな穴であった。イオンビ
ーム電流を高めるために、この円形アパーチャの大きさ
を増大させたが、許容可能な品質のイオンビームを与え
ることのできる円形アパーチャの大きさの増大には限界
があるということがやがて見い出された。イオン源アパ
ーチャの垂直方向及び水平方向の寸法を同時に増した場
合に、不安定なプラズマのメニスカス（メニスカスにつ
いては後で詳述する）のためにビームが不安定になった
。しかし、円形穴を長くして矩形スリットにすることに
より、ビームの不安定性なしにより高いビーム電流を得
ることができるということが見い出された。この矩形ス
リットは磁石の分散平面に対して垂直方向に向いており
、分析用磁石の磁極片に対して同し方向に向いているイ
オン源出口スリットを用いたアイソレータセパレータに
おいてより高い電流を得たのと平行的な開発段階をたど
った。イオンオブティクスの観点からは、細長いスリッ
ト状のイオン出口アパーチャは連続した一連の点源と考
えることができ、この一連の点源は分解用スリソＩ・５
１におｉ−＋る長く伸びた矩形領域となる。

イオンビーム電流を益々高くするために、イオン出口ア
パーチャの長さを次第に大きくしたが、その真直ぐな垂
直方向の配置は第５図に示す如くに保持された。イオン
出口アパーチャ３２の増大した長さを受入れるために、
分析用磁石４０の磁極ギャップｄも増大させて、より大
きなビーム厚さを受入れるようにしなければならなかっ
た。これは、分析用磁石装置が必要とする大きさ、費用
及び電力を著しく増大させることになった。これを第６
図に略示する。この図は、イオン分散平面と平行なイオ
ンビームオプティクスを水平に見たものである。（図示
の便宜上、イオン通路を展開してイオン源及び分解用ス
リットを共通平面内に示しである。これは、イオン分散
平面と平行なイオンヒームオブティクスを示すための標
準的な方法である。）より小さな長さのイオン源アパー
チャ３２′は、より長いイオン出口アパーチャ３２に必
要な磁極ギャップｄよりもかなり小さい磁極ギヤツブｄ
′を有する分析用磁石を用いることができた。

長く伸びたイオン出口アパーチャを取り扱うのに必要と
なる磁極ギャップの増大の程度を減らずために、従来の
若干の装置は、第７図及び第８図に示すように、磁石の
分散平面と垂直な平面内で収束するイオンビームを生じ
させる湾曲したイオン出口スリットをもって設５１され
た。湾曲したイオン出口スリット３２Ａにより、有効イ
オンビーム源長ｄ、よりもかなり小さい磁極ギャップｄ
ａの使用が可能となる。その結果、装置の分析用磁石装
置の小形化についてかなりの改良が得られた。

イオン源アパーチャの曲率半径は比較的高く保持されて
いなければならないが、イオンビーム電流と磁極ギャッ
プとの間の全体的関係のかなりの改善が、この湾曲した
イオン源形状を用いて得られた。

第７図及び第８図に示すように、イオン源３０は、イオ
ン源アパーチャ３２Ａの後ろに位置する見かけの線状体
から実質的に進みつつあって分析用磁石に入るイオンを
発生ずる。従来のイオンビームオブティクスにおける上
記線状体の位置は、第２２図笈び第２３図に示すように
、厳密にプラズマメニスカスの形状の関数である。（第
８図、第２２図及び第２３図の各場合におけるイオン出
口アパーチャの１＋は、綿状体の位置が解かるように拡
大して描いである。実際には、上記アパーチャは、安定
なプラズマメニスカスを保持するために、１ないし３ミ
リメー１−ルの範囲内、通例は約２ミリメートルのＩｌ
ｌで形成されている。）第２２図には凹状メニスカスを
示してあり、線状体はアパーチャ３２の前面において位
置３１Ａ′にある実の線状体である。第２３図には凸状
のメニスカスを示してあり、この形状の結果として、第
８図における位置と同じように、イオン源アパーチャの
後ろに位置３１Ｂ′に普通の見かりの線状体があること
になる。安定なプラズマメニスカス、従ってまた安定な
実または見かけの線状体の位置は、分解用スリットにお
ける分析済みイオンビーム像の安定な合焦に対して極め
て重要である。

第９図及び第１０図は、イオン源アパーチャが湾曲した
形状のものであっても、ビーム電流をもっと高くしよう
とすると、限界があるということを示すものである。例
えば、第７図に示す構成を用いると、９０Ｉ１１１のイ
オン源スリット長及び４０＋ｕの磁極ギャップを用いて
１０ないし１２ｍＡまでのイオンビームが可能であった
。しかし、イオン源スリット長をもっと長くしてイオン
ビーム電流をもっと高くするには、第９図に示すように
磁極ギヤツブをもっと大きくするか、または第１０図に
示すようにイオン源を分析用磁石からもっと遠く離すこ
とが必要である。しかし、イオンビーム電流を増大させ
るためのこれらの試みはいずれも不所望な付随効果を伴
う。第９図に示す試みを用いる磁極ギヤツブの増大には
上述の不所望な効果が伴う。

イオンａ３０を分析用磁石４０から遠く離すと磁極ギャ
ップを大きくする必要がなくなるが、このような変更に
よって他の欠点が装置に生ずる。

例えば、より大きなビーム発散を取扱うために磁極の１
１１を大きくしなければならない。イオンビーム源３０
をもっと遠く離すと、イオンビームのより大きな部分が
イオン源と分析用磁石との間のより長い飛行線領域にお
いて中性化されるので、より長いイオン出口スリットか
らの追加のビーム電流における利得の若干が失われる。

これを妨げるには、分析用磁石による分析及び分解用ス
リン１〜内への合焦が不可能である中性化された核種と
しての損失を避けるため、イオン源から磁石までの領域
内の圧力を低下させるためにより大形且つより高価な真
空ポンプが必要となる。従って、イオン源３０を分析用
磁石４０からもっと遠く離すと、これに対応して装置全
体の大きさが増大し、これは直ちに製造費及び設置費を
増大することになる。

ウェーハ処理量を高くするためにイオンビーム電流を増
大させようとする現時のイオン士１込み装置における発
展中の開発としては、基本的には、第５図ないし第１Ｏ
図に示すイオンビームオプティクスの使用をＷ：続して
いる。従って、この構成を用いる装置は、より高いイオ
ンビーム電流の追求において、ビームライン構成部材及
びイτＪ属の真空ポンプ設備の大きさ及び費用が著しく
増大している。

第１０図ないし第１３図は、「レビュー・サイエンティ
フィック・インストルーメンツ」（ＩＩｃＶＩＥＷ　Ｓ
ｌ［ＮＴＩＦＩＣＩＮＳＴＲＩＩＭ［ＮＴＳ　）誌、１
９８１年９月号に所載の論文「高効率イオンビーム加速
装置！Ｊ　（ｌｌｉｇｈ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　Ｊｏ
ｎ　Ｂｅａｍ　ＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒＳｙｓｔｅｍ　
）においてジー・アストン（Ｇ、　Ａｓｔｏｎ　）によ
って提案されている従来のイオンオプティクス装置の変
形型を示すものである。この装置は、第１３図の拡大図
に示す如き六角形アレイに並んだイオン出口アパーチャ
の二次元配置３２八を有するイオン源を用いている。こ
のアパーチャのアレイの長辺は、磁石４０のイオン分散
平面と垂直の平面内にある。上記アパーチ＋は、各列の
中心線がイオン源の前面の近くにある共通交点に集中す
るように形成されている。収束グリッド３６が、イオン
出口アパーチャのアレイ３２Ａの前面に配置されており
、そして個々のイオン出ｌ」アパーチャからのビームに
対する個々の収束レンズを形成するようにバイアスがけ
されている。このようにして、個々のアパーチャから引
き出された個々のビームは、引出し電極３７によって加
速させられるにつれて、イオン源の前面にある共通の線
状体へ向かって導かれる。

この変形した装置においては、イオンビームは、第５図
に示すイオン源における細い出口スリットの１１１より
も大きいイオン分散平面と平行な平面内に成る大きさの
延長を有するイオン放出エンベロープから発生される。

アストンのイオン源における個別アパーチャの各々は、
第５図に示す型の単一スリット形装置に用いられている
工ないし３關（０，０４ないし０．１２インチ）の範囲
のイオン源スリットの１１１の高い端部にある約２．０
８■鳳（０，０８２インチ）の直径を有す。アストンが
用いたアレイにお番ノる５３個のイオンスリットアバ−
チャバ、１１約１２．７ｔｍ（約０．５イ：／チ）、長
さ約２５．４１１（約１インチ）のイオン放出エンベロ
ープを形成する。しかし、このイオンビームエンベロー
プは、次いで、個々のビームが上記共通線状体へ向かっ
て合焦させられるにつれて狭くなり、その後、引出し電
極３７を通過する。イオン源の前面に位置する共通線状
体に個々のビームを収束させるという要件があるために
、アストンが提案した装置に用いることのできる穴のア
レイの全体的Ｉｌｌは非常に制限される。ｌ＋がもつと
がなり広いアパーチャのアレイを用いたとすると、ビー
ムの品質が急速に低下し始めるであろう。

高度に収束した二次元アレイのアパーチャを用いること
により、イオン放出エンベロープがイオン分散平面と平
行に延び、そし”ζ単一イオン出口スリットにおいて発
生ずるよりもかなり大きなイオン電流密度を有するイオ
ンビームが引き出される。アストン型イオン源において
は、イオン分ｅｌｋ平面と平行な平面内でのイオン放出
エンベロープの実際上の延長の程度は、イオン源製作に
ついての実際的考慮及び半導体素子に対するイオン打込
みにおいて要求されるビーム品質により、非常にｌｌす
限される。アストン型イオン源を５列のアパーチャを越
えて延長させると、個々のビームを該イオン源の近くの
共通線状体に収束させることが次第に困難になり、ビー
ム品質が詐容不能に劣化することになるであろう。従っ
て、アストン型イオン源からの全体的イオンビーム電流
を更に増大させるには、従来の装置において一般的であ
るようにイオン分散平面と垂直の方向にイオン放出エン
ベロープを延長させることが必要となる。

アストンのイオン源は、メニスカスの全体的統合形状、
即ちイオン放出エンベロープを横切る単一のメニスカス
とみなされるメニスカスの形状が、収束したアパーチャ
の機械的配列によって保持されるので、プラズマメニス
カスの安定性の損失なしにイオン引出しスリットの巾を
増大させることができるという効果を奏する。

発明の目的 本発明の主な目的は改良させたイオン１込み装置及び方
法を提供することにある。

本発明の他の目的は、従来の装置よりも高いイオンビー
ム電流を発生し且つ同時にイオン）Ｊ込み装置の全体的
大きさを減少させることのできるイオン士１込み装置及
び方法を提供することにある。

本発明の更に他の目的は改良されたイオン源装置を提供
することにある。

本発明の更に他の目的は、イオン打込み施設の全体的大
きさの減少に寄与する改良されたイオン源装置を提供す
ることにある。

本発明の更に他の目的は改良された動作的特性を有する
イオンビーム源を提供することにある。

本発明の更に他の目的は改良されたビーム均一性を有す
るイオンビーム源装置を提供することにある。

本発明の更に他の目的は改良された配置のビームライン
構成部材を有するイオン１Ｊ込み装置を提供することに
ある。

本発明の更に他の目的は改良されたビーム分解装置を有
するイオン４］込み装置を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、単一のイオン核種を具備する
高電流イオンビームを発生ずるための改良された方法を
提供することにある。

本発明の更に他の目的はイオン源装置を作動させるため
の改良された方法を提供することにある。

兄訓尺目ｌ戊 （ａ）イオン源・解析装置 先ず、本発明にかかる新規なイオン源・解析装置につい
て概略説明する。

本発明の一つの態様においては、イオンをターゲット素
子に打込むための装置が提供される。

この装置は、イオンビームを発生するためのイオン源装
置、及び上記ビーム内の種々のイオン核種を質量に基づ
いて選択的に分離して分析済みビームを作るためのビー
ム分析装置（一般には分析用磁石）を存す。ビーム分解
装置が、予め選定されたイオン核種をターゲット素子へ
通過させるために上記分析済みビームの通路内に配置さ
れている。解析手段は、これと関連するイオン分散平面
を有す。イオン源手段は、上記イオン分散平面と平行な
平面内のかなりの延長面積を含む伺属のイオン放出エン
ベロープを有しており、該イオン源と上記解１手段との
間の領域の全体にわたる上記イオン分Ｒｋ平面と平行な
平面内にかなりの延長面積を保持するエンベロープを有
するイオンビームを発生する。上記分析手段に入るイオ
ンは、実質的に、上記イオン分散平面と垂直な平面内に
在る共通の見かけ、の線状体へ向かってまたはこれから
走行しつつある。

本発明の一実施例においては、イオン放出エンベロープ
、プラズマイオン源のアーク室内の連続した長く伸びた
矩形スロットのような実質的に連続したイオン放出領域
によって形成される。本発明の他の実施例においては、
イオン放出エンベロープは複数の別々のイオン放出領域
によって形成される。かかるイオン源の一例は、複数の
矩形アパーチャを有するものであり、各矩形状イオン放
出アパーチャの長辺の各々はイオン分散平面と平行にな
っている。

前述したように、安定なイオンビームを保持し、及び充
分な分解用パワーを持つためには、イオン源のイオン出
口スリットの中を１ないし３ミリメートルの範囲内の寸
法に制限することが必要であるというように、イオン打
込みのためのイオン源の分野にたずされっている人々に
従来から広く考えられていた。本発明によれば、イオン
出口スリットを３ミリメートルよりもかなり広く、例え
ば５または６ミリメードルにし、しかもなお安定な充分
なビームを保持することが可能であるということが解明
された。この解明は、従来よりもかなり大量の未処理ビ
ーム電流をイオン源から引き出すことを容易ならしめる
ものである。例えば、本発明にかかる試作品装置におい
て、１１】が５ミリメートル、長さが１００ミリメート
ルの出口スリットを有するイオン源から、硼素の２４ミ
リアンペアの未処理ビーム電流及び砒素の６７ミリアン
ペアの未処理ビーム電流が引き出された。

本発明においては、イオン源装置は、イオン源及び該イ
オン源からイオンを引き出して加速するだめの電極装置
、並びに、上記電極装置を通過するイオンビームから、
共通の見かりの線状体へ至りまたはこれから出てくる通
路から実質的にそれている通路上にあるイオンを実質的
に除去するために上記電極装置と分析装置との間に配置
された規準装置を有す。プラズマ源アーク室内に１つま
たはそれ以上の長く伸びた矩形状のイオン出口アパーチ
ャを有しているイオン源装置の場合には、イオンビーム
から、該ビーム内の個々のイオンの熱エネルギー速度成
分のために上記共通の見かけあ線状体へ至りまたはこれ
から出てくる通路から実質的にかたよった通路を持つイ
オンを除去するために、上記規準装置が用いられる。

他の実施例においては、イオン源は、複数の対応のイオ
ンビームを発生ずるために所定の形状に配置された複数
の小さなイオン出口アパーチャを有しており、上記イオ
ンビームの外部線はイオン放出エンベロープを構成する
。この場合には、規準装置は第１及び第２の規準格子を
有し、各格子は、他方の格子の対応のアパーチャと、及
びイオン出口アパーチャと整合するアパーチャを有し、
上記イオンビームの各々から、共通の見かけの線状体へ
至りまたはこれから出てくる通路から実質的にそれてい
る通路を持つイオンを実質的に除去するようになってい
る。

上記イオン出口アパーチャは、単一列に、またはアパー
チャの規則的な二次元アレイに、または上記イオン放出
エンベロープがイオン分散平面と平行な平面内にかなり
の延長面積を有している場合には任意の配置に配置され
る。

（ｂ）電極バイアス印加装置 次に、本発明にかかる新規な電極バイアス印加装置につ
いて概略説明する。

本発明の一実施例においては、イオン源装置は、予備分
析加速電圧に電気的にバイアス印加されたイオン源手段
を具備する。引出し電極がイオン放出領域の付近に配置
されており、出口アパーチャと該引出し電極との間の領
域においてイオン源からイオンを引き出して加速するた
めに上記予備分析加速電圧に対して成る電圧値にバイア
スがけされている。減速電極が上記引出し電極の下流側
に配置されており、上記電極相互間の領域を通過するイ
オンの速度をがなり低下させるために引出し電圧値に対
して成る電圧値にバイアスがＬノされている。先ず高電
界領域においてイオンが加速して高い引出し電流を得、
その後、上記イオンを分析手段に入る前に減速すること
により、イオンの速度が低下するのでより小形の分析手
段を用いることができる。

好ましくは、安定した電源を用いて予備分析加速電圧を
イオン源に与え、そして非安定の電源を用いて引出し電
極に電圧を与える。このようにすると、火花放電（これ
ば全てのイオン打込み装置の本来的特性である）が上記
イオン源と引出し電極との間に生ずるときに上記引出し
電極の電圧は大きさが急速に低下する。これにより、引
き出されて分析手段に入ってゆくイオンの速度に実質的
な影響を与えることなしに、上記火花のエネルギーが制
限され、そして火花が迅速に消滅させられる。

（ｃ）イオン源 次に、本発明にかかるイオン源について概略説明する。

本発明の装置はまたイオン源手段を特徴とするものであ
り、このイオン源手段は、各々が実質的に矩形状の形状
を有している複数のイオン出口アパーチャを有するイオ
ン源を有しており、上記矩形の長辺はイオン分散平面と
実質的に平行になっている。複数のイオン出口アパーチ
ャの使用は、イオンビーム出ロアパーチャの長辺を、従
来の構成における垂直関係から、イオン分散平面と平行
な関係に方向変更することによって可能となる。これに
より、上記以外の点ではイオンオプティクスおよびこれ
にイ」属の諸部材の形状及び大きさに実質的な影響を与
えることなしにより高いイオンビーム電流を得ることが
できる。

本発明の一つの態様においては、イオン打込み装置はイ
オン源室を具備するイオン源手段を用いており、上記イ
オン源室は、その−・っの壁に長く伸びたイオン出口ア
パーチャを有し、且つ該イオン源室内に縦に配置された
長く伸びたフィラメントカソードを有している。上記フ
ィラメントカソート両端間に電流発生用電位差を与えて
該カソードを加熱するためのバイアス印加装置が用いら
れ、且つ同時に、上記室とフィラメントカソードとの間
にアーク発生用バイアスをかりて上記室に導入された蒸
気またはガスからイオンを発生さセるための手段が用い
られる。イオン源の両端間に通例具られる不均一なイオ
ン発生特性を打も消す不均一な場の強さを有しておって
上記フィラメントカソードと平行である磁界を適用する
だめの磁気手段が用いられる。

好ましくは、上記イオン源手段はまた、複数の別々のア
ノード部材が内部に取イ］けられているイオン源室を具
備し、上記アノードと上記室とは電気的に絶縁されてい
る。上記別々のアノード構造体に別々のバイアス電圧を
印加して各アノード構造体イ１近に発生ずるイオン電流
を独立に制御するためのバイアス電圧装置が用いられる
。これにより、更に、イオンビームの１１１を横切るイ
オン電流の分析及び制御を行なってビーム均一性を改善
することができる。

（ｄ）ビーム分力子装置 次に、本説明にかかる新規なビーム分解装置について概
略説明する。

本発明にかかるイオン打込み装置は好ましくは、複数の
ビーム分解部材を具備するビーム分解装置を有し、上記
ビーム分解部材の各々は、分解用アパーチャ、及び上記
ビーム分解部材の一つを分析済みビームの通路内に選択
的に位置決めするための装置を有す。

複数のビーム分解部材を備えることにより、該部材の各
々を特定のイオン核種の用に供し、他のイオン核種から
の汚染を排除することができる。即ち、上記他のイオン
核種は、分解部材の縁に沈着し、その後、他のイオンを
用いるイオン打込み処理中にたたき出される可能性があ
るのである。また、複数の分解部材を用いて、装置によ
って得られる最終的ビーム純度を選択的に変化させるこ
とができる。例えば、アンチモンを打ち込む場合に、ビ
ーム純度を低下させて質１ｔ１２１及び質１１２３の両
方のアンチモンイオンビームを分解用スリットを通過さ
せ、これにより、全体的のアンチモンイオンビーム電流
を効果的に増加させるのに有利である。

（ｅ）イオンビーム発生及び分析方法 法に、本発明にかかる新規なイオンビーム発生及び分析
方法について概略説明する。

本発明のこの方法は、イオンビーム内の種々のイオン核
種を質量に晶づいて分離するための付属のイオン分散平
面を有するイオンビーム分析フィールドを発生させる段
階を存す。イオンビームを発生させ、そして上記イオン
ビーム分析フィールド内に導く。上記イオンビームはイ
］随の全体的イオンビームエンベ夏コープを存しており
、該エンベロープは、上記分析フィールド内へのビーム
の走行領域の全体にゎたゲζ上記イオン分散平面と平行
な平面内にかなり延長した横断面積を有す。最終段階は
、予め選定されたイオン核種を具備するイオンを分析済
みビームから分離することである。

（ｆ）イオン源作動方法 次に、本発明にかかるイオン源作動方法について概略説
明する。

本発明はまた、イオン放出領域を有するイオン源と、上
記イオン放出領域の付近に配置された引出し電極と、上
記引出し電極に実質的に隣接して配置された第２の電極
とを具備するイオン源装置を作動させるための方法を特
徴とする。

この方法は、予備分析加速電圧を上記イオン源に印加す
る段階と、上記イオン源がらイオンを引き出し且つ加速
するために上記予備分析加速電圧に対して成る値を有す
るバイアス電位を上記引出し電極に印加する段階と、上
記第２の電極と分析用磁石の入口と間のイオン走行速度
を実質的に低下させるために上記引出し電極上のバイア
ス電位値に対して成る値を有するバイアス電位を上記第
２の電極に印加する段階とを有す。

好ましくは、上記予備分析加速電圧をイオン源に印加す
る段階は、安定した電位を該イオン源に印加することを
含み、上記バイアス電位を引出し電極に印加する段階は
、上記イオン源と引出し電極との間にスパーク放電が生
ずるときに上記電位の大きさが急速に低下するように非
安定の電位を該電極に印加することを含む。これにより
、上述したように、スパークのエネルギーが制限され、
スパークが急速に消滅させられる。

甘 （ａ）装置の小形化及びイオン電流の増大本発明の上記
の種々の特徴は、イオン打込み装置におけるイオン電流
を著しく増大さゼ、しかも装置の全体的大きさを減少さ
せるごとに寄与する。イオン放出エンベロープの延長領
域（例えば、実施例における長く伸びたイオン源スリッ
ト）を、従来の装置比おりる垂直の方向イ］けに対して
、分析用磁石のイオン分散平面と平行に向けるという新
規な方向付けにより、従来のＩＯないし１２ｍＡ級の装
置よりも小形の装置において発生され且つ使用される砒
素のイオンビーム電流を少なくとも４または５倍（即ち
５０ｍＡ）に増大させることができる。例えば、本発明
のイオンオプティクスを使用し且つ上述した中広のイオ
ン源スリットを有する研究用試作品装置のビームライン
において、硼素の２４ミリアンペアおよび砒素の６７ミ
リアンペアの未処理ビーム電流が観測された。これはイ
オン打込み性能の大きな進歩を示すものであり、また本
発明の他の改良特徴の極めて効果的な利用につながる。

この改良特徴の若干はまた独立に従来の装置を改良する
ことができる。

また、この新規なイオン源方向付けをすれば、使用する
イオン出口スリットが弯曲しているかまたは直状である
かとは無関係に、イオン源を分析用磁石に極めて近づけ
て配置することができる。これにより、分析用磁石に入
ってくるイオンビームの高さが減り、またイオン源と分
析用磁石との間の領域において生ずるイオン中性化が減
る。これにより、ＢＦ３ガスからの硼素のようなガスで
与えられる核種で得られるビーム電流を高くすることが
できる。本発明の他の特徴を用いることにより、分析用
磁石の大きさがかなり小さくなって、引出し済みイオン
が引出し電極と減速電極との間で減速され、従って該イ
オンはより低い速度を持って」二記磁石に入る。イオン
ビームの同じ弯曲角度をより小さい分析用磁石面積で得
ることができ、これも装置の大きさ、複雑性及び費用を
低減するのに大きく寄与する。

本発明のイオン源磁石の形状はイオン分散平面における
プラズマメニスカスの形状のｊＬｔＭ約１Ｍを提供する
ものであり、従って、分析済みビームを分解用スリット
内に収束さ・Ｕるための磁石上の回転式入口磁極または
静電式収束装置の必要がなくなる。

本発明のイオン源分散平面の形状により、イオン源スリ
ットを積み重ねることができるようになり、これにより
、同じイオン源対磁石形状内で及び分析用磁石内の実質
的に同じ磁極ギャップをもって、より高いビーム電流を
得ることができる。

従来可能と考えられていたよりも広いイオン出口スリッ
トの有用性が解明されたので、かかる広いスリットから
のイオンビームはよす大きく発散し易いということにな
る。本発明のイオンオプティクス装置とともに用いると
、この大きなビーム発散のために磁極ギャップを大きく
することが必要となる傾向がある。しかし、充分に鋭い
角度の入口磁極面（例えば約４５度）によって与えられ
る強い入口収束作用を有する均質な磁石を使用すれば、
このビームのより大きな発散を取扱うのに必要となる磁
極ギャップの増加を最少限にすることができるというこ
とが判明した。

（ｂ）イオン源動作の改善 本発明の引出し及び減速電極装置を用いるイオンの加速
及び減速の組合せにより、上記減速電極から進んでゆく
リボン状ビームの発散を更に減少させる円筒状の収束レ
ンズが作られるという有利な効果が得られる。

故意に非安定化した電源（即ち、出力電圧の低下前に電
流発生能力が制限される電源）を用いて引出し電極に電
圧を与えることにより、分析用磁石に入ってゆくイオン
源核種の全体的速度を実質的に変えることなしに、火花
を極めて迅速に消滅させることができる。従来の装置に
おいては、イオン源と引出し電極との間に規則的に生ず
るかなりの火花発生は、イオン源に予備分析加速電圧を
与える電源の電流発生能力がな（なってイオンの効果的
加速電位が低下するときにのみ消滅させられる。火花を
短時間消滅させると、イオン加速電圧が正常状態よりも
かなり低くなる。このようになると、汚染性のイオン核
種が分解用スリットを通っ″（合焦させられて後段加速
構造体に入り、そしてターゲット素子自体に入り込むこ
とになる。半導体処理作業においては、かかる汚染性の
イオン核種は該当のウェーハ状の良品装置の歩留りを低
下させる可能性がある。即ち、汚染性のイオンがウェー
ハを衝撃しつつある時間中にそのビームによって走査さ
れるウェーハの領域内に不良品装置が生じる。

本発明の装置はまた、イオンビームに対して選択的に位
置決め可能な多重分解用スリットという利点を提供する
ものであり、これにより、半導体処理環境内の他の汚染
源を排除することができる。

本発明の他の目的、特徴及び利点は、図面を参照して行
なう本発明の実施例についての以下の詳細な説明から明
らかになる。

去施炭 先ず、本発明にかかる新規なイオンオブティクス及び基
本原理について説明する。

本発明のイオンオプティクスと従来のイオンオプティク
スとの間の基本的な差異は、従来のオプティクスの一例
を示す第７図及び第８図と、本発明の一実施例における
イオンオプティクスを示す第１７図及び第１８図とを比
較すれば解る。第７図及び第８図（並びに第２２図及び
第２３図）に示すように、従来のイオンオプティクスに
おける共通線状体（見かけまたは実）の位置はプラズマ
メニスカスの形ＩＪｅ４こまって決定され、何等かの幾
何学的因子によるのではない。

第１１図ないし第１３図の従来の構成においては、共通
線状体はイオン源アパーチャの共通焦点によって機械的
に制御され、良好な全体的ビーム品質を保持するために
イオン源の前面で閉じなければならない。これに対して
、本発明のイオンオプティクス原理を用いる装置におけ
る共通の見かりの線状体は、イオン分散平面内のイオン
出口アパーチャの幾何学的配置のみによって決定され、
イオン源の前面に遠く離れていることも（第１７図、第
１８図）またはイオン源の後ろにある（第１９図、第２
０図）こともできる。直状のイオン出口スリットを用い
ると、共通の見かりの線状体は無限大距離にある。もっ
と重要なこととして、イオン分ｔｉ＆平面と平行な平面
内のイオン源のイオン放出エンベロープの延長の程度は
、第７図及び第８図に示す従来の標準的手段及び第１１
図ないし第１３図のアストンのイオン源におけるように
制限されるこということがない。

より小さな全体的装置大きさをもって、従来の装置にお
いて可能であるよりもかなり大きなイオンビーム電流発
生能力が得られるのはこの基本的差異によるのである。

積重ね形のイオン出口アパーチャは、従来の装置（第１
１図ないし第１３図の制限的構成を除いて）においては
用いることができない。即ち、多重イオン源スリットの
単一の共通の見かけの線状体がなく、そして多重の実際
の線像が分解スリットに現れるからである。換言すれば
、分解用スリットにおける各質量核子に対する共通合焦
像を有する単一の分析済みイオンビームを、多重イオン
出口スリットを有する従来の装置においては得ることが
できなかった。

本発明装置においては、共通の見がけの線状体の位置が
、多重イオン源スリットの各々に対して同しにすること
のできる幾何学的因子によって決まるので、多重イオン
源スリソ１−を用いることができる。即ち、多重スリッ
トは、分解用スリットにおいて選定された質量核子に対
して単一の合焦像になる。

また、第４６図ないし第５０図について後で詳述するよ
うに、イオン規準装置を用い、分析手段に入り込まされ
るイオン源のイオン放出エンベロープ内で発生したイオ
ンを、イオン分散平面と垂直な平面内に在る共通の見か
けの線状体について、実質的にこれに向かってまたはこ
れから走行させるということを行なうならば、本発明の
イオンオプティクスは単一線延長部または二次元延長部
の多重の小さなアパーチャ源を用いることができる。

以上から解るように、本発明におけるイオンオプティク
ス原理の使用は従来の技術とは著しく異なっており、イ
オン打込み装置の性能を格段に改善するものである。

次にビームライン構成部材の一般的配置について説明す
る。

第１４図は本発明にかかるイオンビームライン構成部材
の一般的配置を示すものである。イオン源装置１３０が
イオンビーム１３１を発生し、該ビームはビーム分析装
置１４０に入る。イオン源装置１３０は、ビーム分析装
置１４０のイオン分散平面と平行な平面内のかなりの延
長面積を含む旬属のイオン放出エンベロープを有す。更
に、イオン源装置１３０は、上記イオン分１ｉｋ平面と
垂直な平面内に在る共通の見かけの線状体について実質
的にこれに向かってまたはこれから走行しておって分析
装置１４０に入るイオンを発生する。このイオン分散平
面は、第１４図に略示するように電磁石型ビーム分析装
置を使用する場合に、ビーム分析装置１４０の磁極面相
互間に横たわる中央平面である。組合せ形の電界磁界装
置のような他の分析装置を用いることもできるが、ここ
では磁界装置が好ましい。イオン源は、フリーマン（Ｆ
ｒｅｅｍａｎ）型プラズマ源、またはエーラーズ（［１
ｈｌｅｒｓ）ほか著の「多重光点イオン源の効率向上」
（Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｉｉｆ目ｃｉｅｎｃ
ｙ　ｏｆ　ａ　Ｍｕｌｔｉｃｕｓｐ　ＩｏｎＳｏｕｒｃ
ｅ）　（ｒレビュー・ザイエンティフィノク・インスル
ーメンッｊ、５９　（３）１９８２年９月、ｐｐ、１４
２９〜１４３３）に記載されているような多磁極プラズ
マ源であってよい。他の周知のイオン源、例えばソリッ
ドイオン放出面を有するイオン源及び電界放出源も成る
場合には用いることができるが、半導体処理用には現在
はプラズマ源が好ましい。

第１７図及び第１８図に示すように収束形イオンビーム
の場合には、見かりの線状体はイオン源装置の前面にあ
る。第１９図及び第２０図に示す発散ビーム装置におい
ては、見かけの線状体はイオン源装置１３０の後ろにあ
る。イオン源のイオン出口アパーチャが凸状でも凹状で
もなく、第１５図及び第１６図におけるように直状であ
る場合には、共通の見かけの線状体は無限大距離にある
線であると数学的にみなされる。

第１５図及び第１６図は本発明の主な特徴のうちの一つ
の核心にある改良されたイオンビームオプティクスを略
示するものである。（このビームラインの構成部材は、
第５し１の従来のものとの比較の便宜状、水平な平面内
に配置して示しであるが、好ましい配置方向は第３５図
及び第３６図に示す如くであり、イオンビームを分析用
磁極ギャップ内へ垂直に導くようになっている。）第１
５図に示すイオン打込み装置１００は、ウェーハ取扱い
装置１７０のヒートシンク１７２上に取付けられた半導
体ウェーハ１７１のようなターゲット素子にイオンを打
ち込むために用いられる。イオン打込み装置１００は、
イオンビーム１３１を発生ずるイオン源装置１３０を有
す。電磁石装置１４０ノヨうなビーム分析装置がイオン
ビーム１３１を受入れ、そして該ビーム内の種々のイオ
ン核種を質量（即ち電荷対質量比）に基づいて分離し、
分析装置１４０がら出てゆく分析済みビーム１３１゛を
作る。

ビーム分析装置１４０は、磁極面１４１と１４２との間
のギャップを通過する中央平面であるイオン分＋ｌｋ平
面を有す。ビーム分解装置１５０が分析済みビーム１３
１′の通路内に配置されており、予め選定されたイオン
核種のみをターゲット素子１７１へ通過させる。第一５
図の従来のイオンオプティクス形状におけるイオン源装
置３ｏの配置方向と比較すると、第１５図に示す本発明
の実施例におけるイオン源装置は、分析装置１４０に対
して、イオンビーム横断面の長辺１３１Ａがビーム分析
装置１４０のイオン分散平面とほぼ平行になるように方
向付けされている。第１５図に示す実施例においては、
イオン源装置１３０は、イオン出口アパーチャ１３２を
有するイオン源手段を有す。イオン出口アパーチャ１３
２のほかに、種々の電極構造体（ここでは示してないが
後で説明する）がイオン源装置の部品として用いられる
。

第１５図に示し、また第１６図の略立図面に示すように
、イオンビーム１３１は、イオン源スリット即ちアパー
チャ１３２から分析磁石装置１４０のギャップ１４３へ
向かって走行するにつれて発散する。後でもっと詳細に
説明するように、種々の選択自由な磁気収束装置がある
ので、上部磁極と下部磁極との間に配置されたイオン飛
行管を衝撃するビーム内のイオンを排除するために収束
的合焦作用が与えられる。

第１５図及び第１６図に示すように、矩形状イオンビー
ム１３１の長辺を分析装置１４０のイオン分１ｌｌ（平
面と平行にし、及びイオン源と磁石との間隔を縮小する
という新規な配置により、狭い磁極ギヤツブｄ８を用い
ることができる。

第１５図は、面状のイオン源スリット１３２を用いる場
合の本発明の基本的なイオンビームオプティクスを示す
ものである。この場合には、イオン源スリット１３２か
ら出てくるイオンビーム１３１は真直（に走行し゛ζ分
析磁石装置１４０に入る。第１７図及び第１８図は、弯
曲しているイオン出口スリットにより、分析磁石装置１
４０の磁極ハの中を対応的に増大させる必要なしに、ビ
ーム電流をかなり増大させることができるということを
示すものである。その収束するビームはまた、分解用ス
リットを１Ｉ１１遇するビームの収束角度を減少させる
。弯曲したイオン源スリノｌ−１３２’から出てくるイ
オンビームは、イオン分散平面と垂直な平面内の見かけ
の線状体に収束する。

第１５図に示すように、イオン源１３０によって発生ず
るーイオンビーム１３１は、分析磁石装置１４”Ｏによ
り、第５図に示す従来の装置に対するイオン分散平面に
おいて分析磁石装置によって行われる合焦と本質的に同
じ仕方で合焦させられる。

分解用スリット１５０における分析済みイオンビーム１
３１′の像は、イオン源形状を含むイオン源オプティク
ス装置の分解力及び分析手段１４０の分解力によって定
まる分散平面内の寸法を有す。

分解用スリット装置１５０における分析済めビーム１３
１′の像の高さは、第１６図に示すようにイオン源１３
２の投映物体１３６の有限高、及び分散面と垂直なビー
ムの全体的発散度によって定まる。この発散は、分析磁
石装置により、または分析磁石及び第２１図に示ず分離
静電レンズ１８０の組合わせによって分散平面と垂直な
ビームに加えられる収束度によって定まる。

静電的合焦を用いてイオン分散平面と垂直な平面内のビ
ームの発散を変えることができるということは本発明の
有利な特徴である。かかる静電的合焦は、さもなりれば
分析磁石の磁極面相互間に配置されているイオン飛行管
を衝撃する可能性のあるビームからのイオンの損失を減
らし、また分析磁石の磁極ギャップを減らすことを可能
ならしめ、これにより、分析磁石に対する全体的小形化
及びパワー減少の必要条件に寄与する。この静電的合焦
は、イオン分散平面内にないので、イオンオプティクス
装置の分解力を妨げることがない。

イオンビーム３１の発散を減らすために第５図の従来の
イオン源装置において要求されるような分散平面におけ
る静電的合焦は、極めて高品質のイオンオプティクスが
提供されないと装置の分解力に悪影響を与える。しかし
、かかる高品質のイオンオブティクスは得ることが困難
である。一般に、イオンオプティクスの分野においては
、レンズの屈折力が弱く、そしてレンズの中央部のみを
使用するならば、高品質の静電レンズがＩに供される。

強い静電レンズは一般に低品質であり、分散平面におい
て適用するとかかるレンズの収差が分解力に悪影響を与
える。後で詳述するように、本発明のイオンオプティク
スは、イオンビームの静電的合焦とイオンビームの組合
わせ式加速減速との有利な組合わせを可能ならしめ、イ
オン打込み装置におけるビームラインの全体的大きさの
減少に更に寄与する。

第２２図及び第２３図に示すように、長く伸びたイオン
出目アパーチャを有するフリーマン型イオン源のような
従来のプラズマ源は、イオンが引き出されるアパーチャ
におけるプラズマメニスカスの曲率に応じて、アパーチ
ャ３２に近接する実または虚のライン源形状を有す。第
２２図に示すように、イオンプラズマメニスカス３１Ａ
は凹状の形状を有し、第２３図におけるプラズマメニス
カス３１Ｂは凸状の形状を有す。上記プラズマメニスカ
スの形状は、イオン源と引出し電極構造体との間のイオ
ン引出し電位を含む複数の因子によって定まる（後で説
明する）。プラズマメニスカス３１Ａはアパーチャ３２
に近接してその前面にある実のライン源３１八′を作り
、プラズマメニスカス３１Ｂはアパーチャ３２に近接し
てその後ろにある虚のライン源３１８゛を作る。

第５図に示す従来の例におい°ζは、イオン分散平面に
おけるイオンビーム３１の発散度はプラズマメニスカス
の形状によって決まる。しかし、発散を減らずための静
電的合焦は、前述したように静電レンズの収差が分解力
に悪影響を与える可能性があるので、一般に用いること
ができない。これに対して、本発明にかかるイオンビー
ムオプティクスは、第１４図及び第１５図に示すように
、イオン分散平面と垂直な平面内の静電的合焦を行い、
プラズマメニスカスの形状に基づくイオンビーム１３１
の発散が、分析磁石の磁極ギャップに入ってくるビーム
の巾に対して比較的小さな影響を持つようにするように
することができる。

次に、イオン源の形状及び電極構造体の変形例について
説明する。

長く伸びたイオン出口スリットにおけるプラズマメニス
カスの長辺の形状を機械的に制御するための能力は、従
来の装置に対して第８図に示し及び本発明の装置の装置
に対して第１７図に示すように、これら２つの装置に用
いられる全体的イオンオプティクスに対して著しく異な
る結果を有す。

第５図の従来の装置においては、第８図に略示するよう
に、弯曲したイオン源ス１トントが磁極ギヤツブの大き
さの減少を可能ならしめる。しかし、磁極の人Ｌ１部分
の中を、さもなければ分散平面内で発散するイオンビー
ムの静電的合焦によって減少させることはできない。こ
れに対して、本発明のイオンオプティクスは、第１７図
に示すように分析磁極のｌｉｌをイオン源スリ・ノドの
中よりも小さくする（即ぢ、イオンビームの中が、イオ
ン源スリットから出るときよりも磁極ギヤ・ノブに入る
ときの方が狭くなる）ために長手方向のプラズマメニス
カスの形状を機械的に制御する能ノＪ、及び装置の分解
力に悪影響を与えることなしに非分散平面内のビーム発
散を制御するために第２１図に示す如き静電的合焦の同
時的使用を利用するものである。

ごのよ・うに、本発明の手法を用い、非分ｔｉｋ平面内
のビーム発散の静電的制御及び分ｔｉｋ平面内のビーム
収束の機械的制御によってビーム電流を増加させること
が可能となったのであり、これらはいずれも、より小形
化したイオン源対分析磁石の関係でより高いビーム電流
を効果的に得ることを可能ならしめる。

第２４図及び第２５図は、イオン源装置からイオンを引
き出すためにこれに用いられる弯曲したイオン源スリッ
ト及び電極装置の形状を略示するものである。説明の都
合上、イオン源１３０を、凹状弯曲出口スリット１３２
を有する普通のフリーマン型イオン源であると見なすが
、直状出口スリットまたは凸状スリットも用いることが
できる。

第２４図は、イオン源スリット１３２の長辺がイオン分
１１（平面内にあるイオン分散平面を上から見た図であ
る。第２５図は同じ電極構造を略立面図で示すものであ
る。フリンジ制御電極１３６がイオン出ロスリソｌ−１
３２に隣接して設けられている。引出し電極１３７がフ
リンジ電極１３６の下流側に設けられており、接地電極
１３８が加速電極の下流側に設けられている。

説明の都合上、正イオンのビームを用いるものとする。

イオン出口スリット１３２と接地電極１３８との間の領
域においては、正イオンはまだ、接地電極１３８と磁石
装置１４０の磁極面への入口との間の領域において発生
する傾向のある電子によって空間電荷中性化されてない
。従って、イオンビーム１３１の中央部分を通過中のイ
オンは周囲の正イオンに会うだけであり、従ってその正
常の走行路からそ乳ることはないが、ビーム１３１の縁
領域にあるイオンは周囲に正イオンがなく、進路をそら
され易い。この理由で、フリンジ電極１３６は、イオン
出口スリット１３２と引出し電極１３７との間の分散平
面内でビームの広がりを制限する作用をなす正電位を与
えられている。

正イオン源・電極装置においては、引出し電極１３７は
、一般に、従来の装置においては、電極構造体と分析磁
石との間の領域に発生する電子をはね返すために、接地
電極１３８よりも若干負の電圧にバイアス印加される。

引出し電極上にこの負電圧がないと、上記電子がプラズ
マ源内へ加速されることになる。その結果、正イオン電
流効果なしにプラズマ源電流が増加し、またＸ線が発生
し、プラズマ源領域における遮蔽作用を増すことが必要
となる。また、イオンビームを空間電荷中性化する電子
は殆ど存在しない。従来のバイアス印加装置においては
、接地電極１３８は、一般に、イオン源に加えられてい
る＋４０ないし＋８０ｋｖの予備分析加速電圧、及び引
出し電極１３７に加えられている−２ないし一３ｋＶの
電圧に対して、接地電位にある。

第２４図に示すように、接地電極１３Ｂと分析磁石装置
１４０への入口との間に収差制御ベーン１９０を用いて
イオンビーム１３１がら異常イオンを除去する。即ち、
上記ビームの縁において確実に停止させないと未選択の
イオン核子を装置の分解用スリットに入り込ませる可能
性のある方向に走行しつつあるイオンを除去する。ビー
ムの縁は、かかる異常イオン通路が極めて生じ易い場所
である。異常イオン通路上のイオンを除去するための他
の装置については後で説明する。

イオン源スリットの長辺、即ち知形状イオンビームの長
辺を分析装置のイオン分子ｉｋ平面と平行に向けること
により、多重イオン源スリットを用いてイオンビーム電
流を増加させることができる。

第５図に示す従来の装置においては、分散平面と垂直な
多重ライン源が分解用スリットの平面に多重線状体を作
るので、多重イオン源スリットを用いることができない
。従って、選定されたイオン核子の分析済みビームをか
かる装置において分解することばできない。

しかし、イオン分散平面と平行な長く伸びたイオン源ス
リットにすれば、複数のイオン源スリットを用いること
ができる。第２６図に２つのイオン源スリット１３２Ａ
及び１３２Ｂを示す。これら２つのスリットとともに、
これから引き出されて単一焦点に収束するリボン状イオ
ンビーム１３１Ａ及び１３１Ｂを示す。説明の都合上、
分散平面内のイオンビームの発散を無視するが、これは
プラズマメニスカスの形状によっては存在する。

第２６図に示すように、２スリツト形の配置の対称性に
より、使用すべき２つのリボン状ビームに共通な単一の
引出し電極１３７及び接地電極１３８の配置を用いるこ
とができる。しかし、第２７図の３スリツト形の配置に
おいては、第２６図に示す電極構造を用いたとすると、
出口スリット１３２Ａから出る中央ビームが引出し電極
１３７の加速電界から遮蔽され易い。従って、これら３
つのビームの各々に対する別々の引出し電極領域１３７
Ａ、１３７Ｂ及び１３７ｃを有する引出し電極構造１３
７′が好ましく、これにより、３つのビーム全部に対す
るビーム加速が実質的に同じになる。この同し配置を第
２６図の２スリツト形イオン源に用いることができる。

共通の接地電極１３８を用い、また選択自由の第２の引
出し電極１３７　″を用い、そして第２の引出し電極１
３７〃と接地電極１３Ｂとの間の領域内で・イオンビー
ムを減速するように接地電極１３８に対してバイアスが
けする。このバイアスかけによって収束レンズが形成さ
れ、分析磁石装置ｆ１４０のギャップ１４３に入る前に
イオンビームを収束する。

第２８図に示す他の構成においては、別々の接地電極ア
パーチャ１３８Ａ、１３８Ｂ及び１３８Ｃを有する接地
電極１３８を設け、これにより、事実上、３つのイオン
ビーム１３１Ａ、１３１Ｂ及び１３１Ｃの各々に対して
別々の電極領域を提供するようにする。この構成は第２
６図の構造に適用することもできる。第２４図ないし第
２８図は、イオン源と電極構造体と分析磁石装置１４０
との間の形または幾何学的関係を正確に描写しようとす
るものではない。これらの図は木質的に略図であり、本
発明の現実の機械的実施例においては種々の実際的構造
が用いられる。また、本発明は１個ないし３個のイオン
出口スリットに限定されるものではなく、３個を越える
スリットを用いることもできる。本発明のこの新規なイ
オンオブティクスを用いると、イオン源のイオン放出エ
ンベロープをイオン分散平面と平行及び垂直の両方の方
向に大Ｉｌ＋に延長し、比較的小形のイオン源及び磁石
をもってビーム電流を格段に増大させることができる。

ここで、従来のイオン源バイアス装置について説明する
。

即ら、第２９図は従来の代表的なフリーマン型イオン源
、引出し電極及び接地電極のバイアスかけ装置を示すも
のである。フリーマン型イオン源自体は例えばｌ−４０
ｋＶの予備加速電圧にバイアス印加される。引出し電極
３７ば、４２ｋＶの総計引出し電位に対して一２ｋＶに
バイアス印加される。接地電極３８は引出し電極及びイ
オン源に対して零電位にある。引出し電極３７と接地電
極３８との間の一２ｋＶは、さもないと接地電極３８と
引出し電極３７との間の領域からイオン源３０自体内へ
加速され易い電子をはね返す。かがる電子は、分析磁石
４０のギ十ツブ内で空間電荷中性化済みビームを提供す
ることによってビームのそれ以上の広がりを防止するこ
とが必要である。

この従来のバイアスかけ装置は本発明の改良されたイオ
ンオブティクス形状に利用することができる。

第２９図に示す従来の代表的なバイアス印加装置におい
て、フリーマン型イオン＃ｉ３ｏに４０ｋｖの電位を与
える電源は安定した電源（また強い電源と屡々呼ばれる
）である。このことは、電源が高い電流能力を（ＩＮえ
ておってあらゆる電流値において電圧を４０ｋＶに保持
しようとすることを意味する。全てのイオン士］込み装
置にある本来的特性の一つは、装置の作動中にイオン源
と引出し電極との間にスパーク放電が生ずる傾向がある
ということである。各装置はまた始動に際して調整１川
間を通過して電源電圧を一杯の値まで徐々に上げ、これ
により、低い電圧においては穏やかなスパーク放電が生
し、また装置の実働中に余り激しい火花放電の生しない
ようにする。それにもかかわらず、実１際の装置作動中
には、スパーク放電状態が時ＩＩ７り生ずる。

イオン源に１−４０　ｋ　Ｖを与える安定した電源を用
いであると、イオン源３０と引出し電極３７との間の火
花放電は、スパーク放電状態中に高い電流が電源によっ
て保持されているために、極めζ激しいまたは強いスパ
ークを含む傾向がある。このスパークは、」二記安定し
た電源の電流能力がなくなり、これにより上記４０ｋＶ
の電圧がスパークの消滅するまでに低下してはじめて消
滅する。

しかし、」二記４０ｋＶ電位が低下するにつれて、合計
引出し電位も低下し、イオンの合計子０ｉｉｆ分析加速
電位が低下する。そのために、分析磁石に入ってゆくイ
オン速度が著しく変化し、これにより、スパークが消滅
している期間中に、そして上記電圧が再び４０ｋＶまで
上昇する前に、ターゲット領域を衝撃させたい予め選定
されたイオンが分解用スリットを通って上記クーゲット
へ導かれなくなる。その代わりに、選定されていないイ
オンがクーゲットに導かれる可能性があり、そしてこの
イオンは汚染性イオンである可能性かあり、この期間中
にビームによって走査されるウェーハの部分上の良品集
積回路チップの歩留りを著しく低下させる可能性がある
。

また、従来の装置において分析磁石４０に入ってくるビ
ーム内のイオンの速度は４０ｋＶ加速から住するもので
あり、この速度のビームを取扱うために分析磁石４０の
大きさ及び力を調節しなければならない。一般に、ビー
ムの速度が高いほど、全体的面積の観点または磁石ギャ
ップにおりる磁束密度の観点から、分析磁石を大きくし
なければならない。磁束密度は飽和効果が生ずる前の成
る点までしか増大させることができず、従って、より大
きな磁石面積が通例必要となる。

次に、イオン源バイアス印加装置の改良について説明す
る。

第３０図は本発明の一つの特徴に従う改良されたイオン
源バイアス印加装置を示すものである。

このバイアス印加装置の全体的性質は、質的には、従来
の装置に見られる性質と同じである。しかし、本発明に
おいては、イオン源１３０を、従来用いられている４０
ないし８０ｋｖよりも実質的に低い予備分析加速電圧に
バイアス印加する。そして、高い引出し電位を得るため
に、引出し電極１３７を、接地電極１３８よりも実質的
により負の電位、例えば第３０図に示すように一３０ｋ
ｖにバイアス印加する。従って、合計のイオン引出し電
位は５０ｋＶであることが解かる。しかし、引出し電極
１３７と接地電極１３８との間の領域においては、イオ
ンは実質的に減速され、そして全体的の２０ｋＶ加速電
界によって作られる速度で磁石ギャップに入る。このよ
うに、本発明のバイアス印加装置は、高い引出し電位と
いう確実な利点と磁極相互間の飛行管に入ってゆく低い
速度とを組の合わせ、これにより、磁石に必要な大きさ
及び力を低減し、装置全体の小形化に寄与するものであ
る。また、接地電極（このバイアス印加手法においては
また減速電極として知られている）間のバイアスの実質
的差異により、引出し電極１３７と接地（減速）電極と
の間の領域に円筒状静電レンズ１９０が形成される。こ
の円筒状の収束レンズは、発散するイオンビームを、分
析磁石１４０の飛行管に入る前に、より平行な通路内に
合焦させる傾向がある。

本発明のこの特徴は、バイアス電位極性を逆転すること
により、負イオンについて用いることもできる。「実質
的」なる語は、ここでは、引出し電極と接地（減速）電
極との間のイオン減速が、電子はね返しの目的で、そし
て正イオンの有意な減速の目的ではなしに、従来の装置
において用いられていた一２ｋＶまたは一３ｋＶの電位
差によって得られていたものよりも有意に大きいという
ことを表すために用いである。

第３１図は、本発明のこの同しイオン加速減速バイアス
印加原理が、その結果発生してイオンオプティクスの分
解力を劣化させるビーム収差の導入を防止するように静
電レンズ１９０′の力を充分に低く保持するならば、第
５図に示す従来のイオンオプティクスに適用可能である
ということを示すものである。これは、電位差を小さく
し且つレンズを大きくすることによって可ｊｉヒとなる
。

第３０図に示す本発明のバイアス印加手法によって得ら
れる磁石設計の小形化可能という利点のほかに、安定な
または強い電源からイオン源１３０に→−３０ｋ　Ｖの
予備分析加速電圧を与え、且つ非安定なまたは弱い電源
から−３，ＯｋＶの引出し電位を与えることにより、更
に他の利点を得ることができる。このような組合わせに
より、電気火花が這かに弱くなり、装置の作動中に迅速
に消滅させられる。これは、引出し電極に対する電源が
高電流を保持しないのでスパーク発生状態の下では急速
に低下する引出し電極１３７上の電位の結果として生ず
る。引出し電圧がスパーク発生中に著しく低下すると、
スパークは急速に消滅し、そして、従来のバイアス印加
及び電源装置において到達したのと同じ電流値には到達
しない。

更にまた、そしてもっと重要なこととして、本発明のバ
イアス及び電源装置の下での火花発生状態は、引出し電
極上の電圧とは無関係に＋２０ｋＶの予備分析加速電圧
が接地または減速電極に対して保持されるので、分析磁
極相互間の飛行管に入ってゆくイオンの速度を甚だしく
変えることがない。従って、ビーム電流は火花発生状態
の下で低下し、そして、弱いが急速に消滅する火花放電
中にウェーハの小さな区域内のイオンの線■率に影響を
及ぼすが、スパーク発生状態中の全体的イオン速度の変
化のために汚染性イオンが分解用スリット内に収束させ
られそしてそこからターゲソトに入ってゆくということ
がない。イオン汚染が例えばナトリウムイオンの打込み
を含んでいるという臨界的な場合には、かかるイオンの
高い移動傾向は極めて大きな害となる可能性がある。

このように、本発明の新規なイオン源バイアスがりの特
徴は本発明のイオンオプテイクス装置のより高い電流能
力の寄与を補足し、実際上極めて・　小形の高電流イオ
ン打込み装置を実現するのに寄与するものであり、この
装置は、分析磁石装置及びイオン源装置の大きさが極め
て小さいので、そのままのビームラインの状態で輸送す
ることができる。本発明の原理を用いると、ビームライ
ンを組み込んだ装置の１１を工場の１．８３ｍ　（６フ
イート）の二枚開き戸板下にすることができるので、ビ
ームライン及びウェーハ処理装置の全体をそのままの状
態で輸送できるようにイオン打込め装置を作ることがで
きる。従って、ビームライン構成部材の望ましからざる
分野及び再組立てが必要でなくなる。従って、上述した
ように、小形のビームライン及び全体的に小形のライン
打込み装置についての他の多くの利点を、本発明の原理
を用いて実現することができる。

次に、分析磁極の形状の変形例について説明する。

第３２図ないし第３４図に、イオン源バイアスとともに
便利に用いることのできる分析磁石装置１４０のいくつ
かの特徴の細部及び本発明の他の原理を示す。第３３図
は、分析磁石装置１４０の入口点におけるフリンジ合焦
の使用を示すものである。磁極片の前面１４６は、ビー
ム１３１の通路と垂直な線に対して、０°ないし４５６
の範囲内の角度θだけ傾斜している。θｌ極片の前面の
この角度はこの場所に収束用磁気レンズを形成し、該レ
ンズは磁極ギャップに入っζくるビーム１３１に対して
、第１６図に示しである該ビームの発散の程度を減少さ
ゼる作用をなず。

第３２図に示すように、電磁石の磁極１４１及び１４２
の内面１４１Ａ及び１４２Ａを互いに傾斜させて磁極ギ
ャップ内に不均質な磁界を作ることができる。この不均
質な磁界は、ビームが分析磁石を通過するときに該ビー
ムに対して連続収束的合焦作用をなす。これは、磁極側
相互間の磁石真空室の頂面及び底面を衝撃するイオンの
故を減らし、従って該磁石から出てゆく有効ビーム電流
を増大さ〜Ｕるという利点を有す。

第２１図及び第３０図に示す収束的静電合焦作用及び第
３３図に示す入口フリンジ合焦作用と第３２図に示す連
続的不均質磁界合焦作用とを組み合わセると、分析磁石
ギャップを通過し°ζ分枡済みビームとして出てゆくイ
オンビームの伝送効率を格段に改善することができる。

第３４図は本発明のイオンオプテイクス装置に用いるこ
とのできる他の改善例を示すものである。

磁極の鉄ハ１４１及び１４２を、電Ｉ〃石の巻線１４７
と１４８との間の内部磁極面１４２Ａ及び１４１Ａの領
域内に延長し、分析磁石装置の磁極ギャップ飛行管に入
ってくるイオンビームを早く捕らえるようにする。この
ようにすると、入ってくるイオンビームに対して分析磁
石がより早く作用し始めるので、分析磁石装置全体をも
っと小形にすることができ、また装置の分解力が改善さ
れる。

これら手法の全てを、本発明のイオン源オプティクスで
得られる高電流能力及び小形設計と組み合わせると、業
界において今まで得られていたものよりも格段に高いビ
ーム電流を有する極めて小形のイオン打込み装置の製造
を可能ならしめることが期待される。また、本発明の原
理を極高電流装置に適用し、これにより、例えば表面冶
金（即ち表面合金）の分野を質量分析済みイオン打込み
技術に対して開き、及び半導体ＩＣ製作にお＆Ｊる新規
なイオン打込み処理を実施する機会を作ることができる
。例えば、本発明のイオン源バイアスを用いることによ
り、埋設酸化物絶縁領域を作るために、打込み酸化物領
域を半導体ウェーハ内に深く作ってそこにある半導体月
料を局部的に酸化するということを初めて商業的に可能
化することができる。この能力により、ＶＩ３１回路が
到達することのできる密度及び速度を更に格段に増大さ
せることができる。

次に、特効の実施例について詳細に説明する。

第３５図ないし第４１図に、本発明の一般的原理を用い
たイオン源装置及び分析磁石装置の特殊の実施例を示す
。ビームライン装置２００は、イオン源モジュール２３
０、イオンビーム電極モジュール２３５、イオン源モジ
ュール２３０に対する電磁石装置２８０、分析磁石装置
２４０、ビーム１１１制御装置＆２９０、及び真空ゲー
ト弁装置３００を有す。

イオン源モジュール２３０は、内部にフィラメント２３
０Ｄが延びているアーク室２３０Ｃを具備するフリーマ
ン型イオン源を有す。上記イオン源に対するバイアス及
び動作電位はバイアス接続ｍ２３０Ａによって与えられ
る。アーク室２３０Ｃ内でイオン化されるへきガス状材
料は、供給配管装置２３０Ｂを通じて、またはイオン源
組立体に内股の気化炉から与えられる。イオン源モジュ
ール２３０は比較的標準的なフリーマン型イオン源構造
であり、その外形を、ビームライン装置２００のオプテ
ィクスのより小形の形状に適合させてあフリンジ電極２
３Ｇ、引出し電極２３７及び接地または減速電極２３８
が、柱２３５Ｌ）によって支持された基板２３５Ａ上に
モジュール的に取付けられ”Ｃいる。調節装置２３５Ｂ
により、ビーム整合のために上記電極モジュールの位置
をイオン源に対して微調節することができる。上記電極
構造体に対する冷却剤が、該電極構造体に普通の仕方で
連結されている導管２３５０を介して供給される。上記
諸電極の全体的構造を第３８図に示す。

フリーマン型イオン源をイオン源ハウジング２３０１”
内に取付けるにはいくつかの方法があり、また上記電極
構造体をハウジング２３０１・’内にアーク室２３０Ｃ
の上方に取付けるにはいくつかの方法がある。イオン源
電磁石装置は、磁極２８１、別々の電磁石巻線２８２、
及び真空ポンプへ通ずる出入Ｌ１の下でハウジング２３
０Ｆの一方の側を通る磁束戻りバーが２８３を有ず。

分析磁石装置２４０は、該分析磁石装置２４０’の入口
面２４６において電磁石コイル２４７及び２４８の下に
延びる入口フリンジ磁極２４１Ａ’及び２４２Ａ’を有
する磁極片２４１及び２４２を有ず。第３６図に略示す
るように、フリンジ磁極部材２４１Ａ’及び２４２八′
の入日面は傾斜しており、磁極台２４１と２４２との間
の飛行管２４３に入ってくるビームのフリンジ合焦作用
を与えるようになっている。

ビーム中制御装置２９０を第３５は１、第３９図及び第
４０図に示す。電気ステップモータ２９１が親ねし装置
２９２を回転させてカム板２９３を往復動させる。カム
板２９３の往復運動によってレバーアーム２９４が回転
させられ、該アームは、互いに噛み合っているギヤ２９
５．２９Ｇ及び２９７を回転さ−Ｕる。ギヤ２９５及び
２９７は輔２９５Ａ及び２９７Ａ取（＝１けられており
、該軸は中空であり、冷却剤導管２９９を介して冷却剤
を受入れる。適当な真空封止装置が点２９５Ｂ及び２９
７Ｂに設りられている。軸２９５Ａ及び２９７八回転す
ると、これに固定されているベーン２９８が対応的に回
転させられる。

ベーン２９８が回転して、接地または減速電極２３８か
ら出てくるイオンビームの通ｒＩδに入り込むことによ
り、分析磁石装置の真空室即ち飛行管２３４に入ってく
るイオンビームの１１１が効果的に制御される。ベーン
２９８が第３５図に破線で示す広く開いた位置にあると
きに、最大中のビームが分析磁石の真空室に入る。しか
し、ビームの縁にある異常イオンビーム成分は、この広
く開いた位置にあるベーン２９８によってさえぎられ、
分析磁石に入ることを妨げられる。これは、このビーム
制御ベーンをイオン源電極モジュール２３５の直ぐ下ｆ
Ｊ＋ｉのこの場所に配置しておくことの極めて有利な点
である。

また、ビーム中制御コ１１のため直往復式ベーンの代り
に回転式ベーンを用いることは、ベーンが互いの方へ向
かって回転するにつれて得られる微細制御によってビー
ムｌ＋の微細調整度が増すという点において極めて有利
である。上記ステップモータの各ステップに対するビー
ム中の変化の程度は、上記ベーンがその角度的回転にお
いて互いに近づくにつれて、該ベーンの端部が互いに遠
く離れているときよりも小さくなる。一般に、上記ステ
・ノブモータは、実際のビーム電流の検知に応答して該
ステップモータを駆動するサーボ機構装置によって制御
される。

第３５図、第３６図及び第４１図に真空封止装置３００
を示す。この真空封止装置は、カソードフィラメント２
３０Ｄの補給または他の保守のためにイオン源モジュー
ル装置２３０を変更しつつあるときに、イオン源室ハウ
ジング２３０　Ｆの頂部アパーチャ２３０Ｆ’を封止し
、これにより、分析磁極相互間の飛行管及びビームライ
ンの他の構成部材内を真空に保持するようにする。軸３
０１が、１対のアーム３０３によってスライド式ケート
弁３０４に連結されている作動用レノ＼−３０２を作動
させる。矩形状ガスケツｌ−３０５が、上記イオン源ハ
ウジングの土壁に対して真空封止を行なっている。スラ
イド式ゲート弁３０４はレール３０７に乗っているガイ
ド３０６を有し、上記レールは該スライド式ゲートを上
記イオン源ハウジングの上壁と堅く嵌合接触さゼるよう
に傾斜している。ストップ装置３０８が上記真空ゲー１
〜の過大走行を妨げ、該ゲートを、アパーチャ２３０Ｆ
を覆う所定位置にあらしめる。

第３５図及び第３６図に示すイオン源モジュール２３０
は、磁極２８１を該イオン源のフィラメン）２３０Ｄと
整合させた電磁石装置２８０を用いており、これにより
、上記フィラメントから放出された電子を旋回させ、ア
ーク室２３０Ｃを満たしているガス状材料のイオンを発
止させるようになっている。業界に周知のように、アー
ク室からのイオン放出は該アーク室の一端から他端へ向
かって変化し、イオンビームの電流密度を不均一ならし
める傾向がある。成る程度までは、本発明においては、
イオン源の各側にあるもｌ極２８１相互間の磁極ギャッ
プ内に不拘−！イ支界を発生することにより、イオンビ
ームの不均一性を補償することができる。これは、磁極
の各々に付属する界磁コイル即ち巻ｗＡ２８２内の電流
を独立に制御することによって行なうことができる。

次ニ、フリーマン型イオン源の改良について説明する。

第４２図ないし第４４図に改良された型のフリーマン型
イオン源を示す。このイオン源はまた、イオン源室３３
０からイオン出目スリット３３２を通って出てくるイオ
ンビームを均一化するために用いられる。イオン室ハウ
ジング３１４は、誘電体スペーサ手段３１６によって該
室ハウジング３１４から電気的に絶縁されている複数の
別々のＵ字形アノード構造体３１７を取り囲んでいる。

カソードフィラメント３１５が個々の′アノード区域３
１７の中央領域を通って延びている。第４２図に示すよ
うに、別々のアノード部材３１７の各各は個別のバイア
スかり装置３１８を用いて別々にバイアスがけされる。

また、カソードフィラメント３１５と上記個々のアノ−
［区域との間に流れる電流は個別の計器３１９を用いて
別々に表示される。個別のバイアス電圧装置３１８を用
いて、イオン源の長さに沿う種々の領域におけるフィラ
メント対アノードのバイアスを変化させ、上記個別のア
ノードの各々の領域においてイオン出口スリット３３２
から放出されるイオン電流を制御することができる。イ
オン源の不均一な磁気的バイアス印加及び個別のアノー
ド一部材の不均一な電気的バイアス印加を組み合わせる
と、イオン出１コスリソＩ−３３２から出てくるリボン
状ビームに対する均一性が著しく改善される。比較的均
一なイオンビームが発生されるならば、他のイオン源を
本発明に用いることもできる。例えば、前掲のエーラー
スはかの論文に示されているような多磁極型の適当なイ
オン源を本発明に用いることができる。

次に、多重ビーム分解部材について説明する。

第４５図に、ビーム分解装置３５０を使用した本発明の
他の態様を示す。このビーム分解装置は多重のビーム分
解部材３５１Ａないし３５１Ｃを有し、該部材は適宜の
位置決め手段３５２を用いて分析済みビームの通路内に
選択的に位置決めすることが可能である。多重分解用ス
リットを用いることにより、イオン杓込み装置において
いくつかの利点が得られる。これら利点の一つは、各分
解用スリットを一つの特定のイオン核子に専用としてイ
オン核子の相互汚染の可能性を除去することができると
いうことである。上記の相互汚染は、単一の分解用スリ
ットを用いる場合に生ずる可能性があり、一つの核子か
らのイオンはその前の打込み処理において選定された前
の核子からのイオンを分解用スリットの緑からたたき出
して、ターゲットを衝撃する最終イオンビーム内に入ら
せる。多重分解用スリットの他の用途としては、質量選
択性及びビーム純度の選定がある。例えば、アンチモン
の同質量核子を分解用スリットを通過させてクーゲット
ウェーハを衝撃さ・けるためには広い分解用スリット（
例えば３１５Ａ）のあることが望ましい。アンチモンの
打込みは２つの比較的接近している質量核子のいずれか
一方または両方をもζ用いることができるから、一方ま
たは他方の核子を分解することに対して両核子を用いる
ことにより、線量率従ってまたウェーハ処理量を増大さ
せることができる。

次に、イオンビーム規準装置について説明する。

本発明にかかるイオンビームライン＋Ｎ　成６Ｂ　＋Ａ
の配置に含まれている一つの因子は、装置の分解力が熱
雑音によって若干劣化するということである。

これは、個別のイオンがイオン源アパーチャから引き出
されるときに存する可能性のある瞬時的熱雑音のために
個別イオン通路の方向が変化することによって生ずる。

熱雑音のための」二記引き出し済みイオンの瞬時的速度
が、実質的に引出し電界に基づくイオンの速度成分と垂
直であり且つイオン分散平面と平行であると、上記個別
イオンは、分析磁石に入る直線イオン通路と垂直な速度
成分を有することとなり、その結果、イオン通路はこの
直線通路から若干角度かたよる。第４６図に示すように
、引き出し済みイオンの瞬時的熱雑音が、実質的に、ま
っすぐな通しのイオン通路と垂直であり且つイオン分散
平面と平行であるということのためにかたよったイオン
通路を持つイオンを、イオンｔＡ１３０から放出された
全体的イオンビームから除去するために規準装置１３９
を用いることができる。

規準装置１３９は、減速即ら接地電極１３８と分析磁石
１４０の入Ｌ１面との間に配置された一連りの個別規準
構造体１３９Ａ、１３９Ｂ及び１３９Ｃを具備する。他
の配置の規準用格子及び／又はスクリーンを用いてもよ
い。２つまたはそれ以上の格子またはスクリーンは一つ
の規準機能をなす。

第４６図に示すように、通路１３１ａのようなまっすく
なビーム通路を持つイオン規準格子装置をまっすぐに通
過して分析磁石１４０に入る。通路１３１ｂのようなか
たよった通路を走行するイオンは、一般に、規準格子装
置１３９内の一つのバーにつき当り、従って分析磁石１
４０に入ることができない。しかし、規準格子装置１３
９が占めている体積があるので、１３１Ｃのような直線
イオンビーム通路のうちの若干もまた分析磁石１４０に
入ることを阻止される。その正味の結果として、第４６
図の装置は分析磁石１４０に入る全体的イオンビーム電
流を減少さセる。従って、イオンビームの規準を用いる
際にはかね合いがある。即ち、装置の全体的分解力を改
善するためにビーム電流を犠牲にすることになる。

第４６図に示すように、装置１３９のような規準装置を
用いた場合に分析磁石１４０に入る実際のイオンビーム
は、イオン源１３０の前面壁内の別々のアパーチャから
出てくるように見える一連のビームを含んでいる。従っ
て、第４７図に示すように、個別的イオン出Ｌ１アパー
チャ、例えばスリンｌ−１３２Ａ及び１３２Ｂを存する
イオン源１３０′を規準装置１３９とともに用いること
ができる。第４８図及び第４９図に示すように、規準格
子１３９Ａ、１３９Ｂ及び１３９ｃは、上記個別イオン
出口スリットから出てくるビームが分析磁石１４０のイ
オン分散平面と垂直な平面内で発散することを許す一連
りの間隔垂直バーを具備している。従って、各イオン出
ロアパーヂャから放出されるイオンビームの、上記イオ
ン分散平面と平行な平面内の発散成分のみが、分析磁石
に入るイオンビームから構成される装置において正確に
分解されない成分がある。

再び本発明の一般的概念について説明すると、第４７図
ないし第４９図のイオン源装置は本発明の新規な一般原
理、即ら、イオン源が、イオン分ｔｉｌ［平面と垂直な
平面内に在る共通の見かりの線状体について実質的にこ
れへ向かってまたはこれから走行しておって分析手段（
例えば分析磁石１４０）に入るイオンを発生ずるという
原理を用いるものである。第４４図及び第４５図に示す
直状前面壁のイオン源の場合には、共通の見かけの線状
体は無限大距離にある。しかし、第１７図ないし第２０
図に示す凸状または凹状のイオン源装置も、収束性また
は発散性のビームを取扱うように規準格子の配置を適切
に変更すれば、使用可能である。

イオン源の１１１１面が凸状または凹状である場合には
、共通の見かりの線状体は・イオン源の後ろかまたはイ
オン源前面にある。

第５０図に示すように、積み重ねた数列のイオン放出ア
パーチャをイオン源の前面壁に形成し°ζもよい。この
配置は第２６図ないし第２８図に示す積重ね形のスリッ
ト配置に類似している。即ち、−ＩＩＩＱ的に謳うと、
本発明の原理を実施するとビームライン装置は、分析装
置（例えば磁石１４０）のイオン分散平面と平行な平面
内のかなりの延長面積を含むイオン放出エンベロープを
有するイオン源を有し、このビームエンベロープは、上
記イオン源と分析手段との間の領域全体にわたる分散平
面内にかなりの延長部を保有する。第１５図ないし第２
５図に示す単一のイオン源スリットの場合には、イオン
放出エンベロープは単に単一の矩形スリットの面積であ
る。明らかに解るように、矩形スリットの長辺はイオン
分散平面と平行に向いているから、かかるイオン放出エ
ンベロープはイオン分散平面と平行な平面内にかなりの
延長面積を有す。

第２６図ないし第２８図に示す多重矩形スリンＩ〜の場
合には、イオン放出エンベロープは、別個の矩形スリッ
トの最外縁によって境界づけされた幾何学的面積である
。この場合においては、また明らかに解るように、共同
してイオン放出エンベロープを形成している矩形スリッ
トの各々がイオン分散平面と平行な平面内にかなりの長
さを有しているから、上記イオン放出エンベロープは上
記イオン分散平面と平行な平面内にかなりの延長面積を
有している。

第４９図及び第５０図に示す個別イオン放出アパーチャ
の配置について説明すると、イオン放出エンベロープを
破線矩形１３２　″、及び１３２　で、１１１１ら個別
外縁イオン放出アパーチャを境界づげする幾何学的面積
で示しである。この場合には、また、イオン分散平面と
平行な平面内に在るアパーチャの延長列があるので、こ
のイオン放出エンベロープは上記イオン分散平面と平行
な平面内にがなりの延長面積を有す。このようにずべき
論理的理由はないが、適切な規準装置を用い、もって、
全体的イオン源装置が、イオン分１１に平面と垂直な平
面内に在る共通の見力州の線状体について実質的にこれ
へ向かっζまたはこれから走行して分析手段に入るイオ
ンを発生ずるという条件を満足するようにするならば、
多重アパーチャの場合における個別イオン出口アパーチ
ャの配列は不規則なイオン放出エンベロープを作る任意
の不規則な幾何学的形状であってよい。

第４７図ないし第５０図に示す多重イオン放出アパーチ
ャ装置は、単一の矩形スリットまたは複数の積み重ねた
矩形スリットを用いたイオン源装置はどの利点はない。

しかし、これら多重アパーチャの実施例は本発明の他の
多くの利点を有している。ＲＩＪち、これら実施例を用
いると、イオン放出エンベロープの面積をイオン分散平
面と平行な平面内に延長し、及びイオン源と分析磁石と
の間の領域全体にわたるイオン分散平面内にかなりの延
長部を保持するという原理を用いることにより、従来の
イオン源が持ち得たよりも高い電流を持つイオンビーム
を発生することができる。特に、第５０図に示す多重積
重ねプレイのイオン出口アパーチャは、より小さい全体
的装置の大きさにおいて、従来のビームライン装置から
発生させることのできたよりもかなり高いイオンビーム
電流を発生させることができる。小形化及。−分析磁石
の所要電力の低減という他の全ての利点は上記多重アパ
ーチャ形イオン源をもって得られる。但し、減速電極１
３８と分析磁石１４０との間に規準装置１３９を設ける
必要があるので、上記小形化の程度は若干域る。

光皿鬼殖来 本発明の数多くの特徴及び実施例についての上述の説明
から解るように、本発明の原理は種々のイオン打込み装
置に対して広く適用できる。本発明の種々の特徴の各々
は、イオン１］込み装置の性能の改善に大きく寄与する
。これら多くの特徴を互いに共同さゼて用いると、装置
段重の小形化、高いイオンビーム電流発生の可能性、及
び作用の信頼性の観点からの全体的イオン打込み装置の
極めて大きな改善が得られる。

箪Ｉ■太施輿 第５１図は、本発明の好ましい実施例によるイオンイン
プラチージョン装置のビーム流路４００の主要素を示し
ている。このビーム流路４００は、イオン源構成体４１
０と、イオン質量分析系統４２０と、質■分析系統４３
０と、分析されたイオンビームをターゲット素子４５０
に向って加速する後段階加速系統４４０とを台１ηえて
いる。イオンビーム流４１０は、イオン源組立体４１１
と、イオンＮ磁石組立体４１２と、イオンビーム抽出組
立体４１３とを備えている。イオン質量分析系統４２０
は、イオンビーム飛行管４２１．！：、ビーム分析磁石
組立体４２２とを備え°（いる。質量分析系統４３０は
、真空ゲート弁４３」と、イオンドリフト管４３２と、
質■分析スリット組立体４３３とを備えている。後段階
加速系統４４０ば、多数の構成をとることができる。

第５１図に示したイオンインプランテーション装置の種
々のビーム流路要素は、イオン源磁石組立体４１２以外
は、他の図面を参照し゛ζ以下に詳細に説明する。イオ
ン＃磁石組立体４１２は、イオン源構成体４１０にフリ
ーマン型イオン源組立体を組み込んだ時に用いられる。

イオン源磁石組立体４１２は、両側からイオン源ハウジ
ング内へと延びている磁極４１２Ａと、コイル４１２Ｂ
とを含んでいる。各々のコイルは、これにより発生され
る磁界を個々に制御できるように、別々に作動されるの
が好ましい。磁界の戻り磁路は、垂直の磁気戻りバー４
１２Ｃと、Ｕ字型の磁気戻りヨーク４１２Ｄとで構成さ
れ、このヨークは、イオン源構成体４１０の底部を経て
戻り磁界を通ず。

この構成を用いると、イオン源磁石組立体４１２の戻り
磁路は、イオン源室及びイオン源組立体４１１の前面至
近領域に垂直磁界成分、ＩＩＩら、抽出イオンビームに
平行な磁界を発生して質■分析系統４２０の磁界成分に
相互作用を及ぼずことはない。イオン源の戻り磁路が、
単にＵ字型の磁気戻りヨークとして、磁極４１２Ａの高
さに設けられている場合には、ビーム分析磁石組立体と
相互作用する磁界により、イオン源の効率を低下させる
ような合成垂直磁界成分が形成されることが分かった。

換ｇずれば、フリ、−マン型のイオン源を効率よく作動
するには、フリーマン型イオン源のフィラメントカソー
ドと整列された磁極４１２Ａ間の磁界がフィラメントカ
ソードと実質的に平行になって、カソードから放射され
た電子がカソードのまわりで螺旋状となり、イオン源内
のガスを画い効率でイオン化することが必要とされる。

もし、電子の螺旋路がその至近位置でビームに平行な磁
界成分によって妨げられた場合には、イオン源のイオン
発生効率が実質的に低下し、イオンビーム抽出組立体に
よって抽出できるイオンビームが相当に減少される。戻
りＮｉ路の構成について示した第５１図のイオン源磁石
組立体４１２は、イオン源の前方に垂直磁界成分が発生
しないようにし、これにより、充分高い効率でフリーマ
ン型イオン源を作動して、イオンビーム流を多聞に形成
し、抽出することができる。

第５２図は、イオン源構成体４１０を詳細に示している
。イオン源ハウジング４６０は、イオン源組立体４１１
及びビーム抽出組立体４１３のための基本的な真空の管
を構成する。ハウジング４６０は、その上壁に長方形の
孔４６１を有し、この孔は発生されたイオンビームをこ
の上壁の上に取すイリリられた飛行管４２１へ送り込む
ためのものである。ハウジング４６０の片側に設けられ
た真空ポンプボート４６２は、ハウジングを真空にする
ための真空ポンプ構成体に連通している。

ハウジング４６０の底壁には、ビーム抽出組立体４１３
及びイオン源組立体４１１を受り入れるためのボーｈ　
４６３がある。ビーム抽出組立体４１３及びイオン源組
立体４１１の両方は、個々に取り外しできるモジュール
として構成され、即ち、各組立体は清１１１）及び保守
を行うために別々のユニットとして完全に取り外しでき
る。史に、これら２つの組立体は、イオン源と抽出電極
との整列をナエソクするために一緒に取り外すことがで
きる。

ビーム抽出組立体４１３は、多数の図面を参照し゛ζ以
下で詳細に説明する。然し乍ら、ここでは、ビーム抽出
組立体４１３が、個々のモジュール構成という点で、抽
出組立体のフランジ４１３Ａを含んでいて、このフラン
ジはハウジング４６０の底壁に取りつ＋ｊられζこれに
支持されるが、ビーム抽出組立体の他の全ての部品、支
持ヘース部祠４１３Ｂ及び抽出・減速電極４１３Ｃを含
む、は支持柱構成体４１３１）に取り付けられることを
理解されたい。このようなモジュール構成により、抽出
組立体のフランジ４１３Ａを取り外した時には、これら
部品全部をハウソング４６０がら取り外すことができる
。

同様に、イオン源組立体４１１は、一体的な華−モジュ
ールとしてハウシング４６０がら取り外ずことができ、
これについては、第５２図ないし５５図を参（）へして
以下で詳細に説明する。

イオン源組立体４１１の主たる要素は、イオン源＆ｉｎ
立体フランジ４７１と、イオン源絶縁体４７２と、イオ
ン源室支持構成体４７４と、イオン源カス供給構成体４
７５と、イオン源の電気バイアス構成体であり、このバ
イアス構成体は、フィラメントバイアス・電流供給構成
体４７６Ａ及び４７６Ｂと、アノード電流供給構成体４
７６ｃとを含む。イオン源のフランジ４７１及びイオン
源の絶縁体４７２は、取りイ」リボルト（図示せず）ヲ
用いて、ビーム抽出組立体のフランジ−４１３Ａに取り
外し可能に取り（−Ｊりられる。イオン源のフランジ４
７１は、取すイリはボルト・翼ナツト構成体４７７によ
って絶縁体４７２に取り付けられる。

イオン源のアーク室組立体４７３のための支持組立体４
７４は、第５３図に示したようにペデスタル４７９に取
り（リリられた垂直の支持柱４７８を備えている。ペデ
スタル４７９は、次いで、イオン源のフランジ４７１に
支持され、イオン源のガス供給組立体４７５を受け入れ
る中空のペデスタル構造体を錨えている。

イオン源のアーク室４７３は、ハウジング４８０を含み
、その底壁には個々のＵ次型−７ノート４８１が支持さ
れている。フィラメントカソード４８２ば、その両端が
フィラメント支持体４８２Ａに配置されている。フィラ
メントクランプ４８３はフィラメントカソード４８２の
各端にクランプされ、その各々はフィラメントリード４
８４に接続されていて、このフィラメントリード４８４
はペデスタル４７９の上部を貫通してイオン源フランジ
４７１の大電流フィードスルー４８５に接続されている
。適当なフィラメント絶縁体４８６が、フィラメントカ
ソードをイオン源組立体４７８から電気的に分離してい
る。第５２図に示すように、個々の電気バイアスリード
ワイヤ４８７が個々のアノード４８１に接続されていて
、第４２図ないし第４４図に関連で上記した目的で個々
のバイアス電圧を印加する。

複数の熱シールドフィンより成るツノ１シールドフイン
構成体４８８かイオン源の室４８０とペデスタル４７９
との間に挿入されていて、イオン源の室からの熱がペデ
スタル及び蒸気供給系統４７５へ達しないように上記室
に向って反則する。

蒸気供給系統４７５は、フランジ４８９を含む別個のモ
ジュールであり、フランジ４８９は、取りイ」けボルト
・翼ナツト組立体によりイオン源のフランジ４７１に取
り付けられる。ガス供給組立体４９０は、フランジ４８
９に支持されていてペデスタル４７９の上部を貫通して
アーク室４８０へ直接延びている管を備え、三弗化炭素
のようなガスをイオン源の室内に直接供給する。１対の
固体装填カプセル４９１がカートリノンヒータ４９２の
熱電対型温度センサ４９３に組合わされていて、イオン
源用の固体物質例えば砒素を蒸発させ、供給管４９４を
経てアーク室４８０へ蒸気を送り込む。

イオン源のアーク室４８０のフロン１〜プレート４９５
は、イオン出口孔４９６をＤ；ｈえζおり、この構造細
部については以下で説明する。

第５６図ないし第６０図は、イオンビーム抽出組立体４
１３を示しており、この１ＪＩ立体は、第５９図及び６
０図に示されたように、抽出組立体のフランジに支持さ
れたビーム制御翼組立体を（ｌｉｉＩえている。

先ず、第５６図ないし第５８図を説明すれば、ビーム抽
出Ｈ１■立体のフランジ５００には電極支持台５０１が
のせられている。この台は、整列支持構成体５０２によ
ってフランジ５００に支持されている。整列支持構成体
５０２は、円錐形の支持上面を有するｌ対の支持ボスト
５０３を備え、上記円錐形の支持上面にはリング状の台
５０１が傾斜可能に支持される。カムホロワ構成体５０
４は、支持ボスト５０３にのせられた抽出電極支持台５
０１の傾斜を制御する。張力ハネ５０５は、その一端が
、電極支持台５０１に固定された取り付はボス！−５０
６に接続されていると共に、その他端が、フランジ５０
０に取りイ」りられた支持ボスト５０７に接続され“Ｃ
いる。この構成により、カムホロワ５０４ａはカム５０
４Ｂに接力東するように偏位される。カム５０４Ｂは親
ネジ５０８によって駆動され、この親ネジ５０８はギヤ
機構５０９を介して電気モータ５１０に接続される。こ
のモーフ制御式の電極支持台（頃斜機構により、ビーム
抽出及び減速電極を、イオン源のイオン出口スリットに
対して整列することができる。

この整列機構は、電極支持台５０１、減速電極支持柱５
１１及び減速電極５１２と共に、端子電位にある。抽出
電極支持柱５１３は、金属の柱部分５１４と、絶縁材の
柱部分５１５との複合体で構成され、セラミックのシー
ルド構成体５１６によって絶縁相部分５１５が汚染粒子
及び沈着物から遮断される。抽出電極５１７は、片持梁
の形態で支持柱５１３の上部に取り付りられる。これと
同様に、減速電極５１２も、片持梁の形態で支持柱５１
１に取り付けられる。

ふち取り電極構成体も同様に設ＬＪられており、ふち取
り電極支持柱５１８が支持台５０１に支持され、Ｕ字型
のふち取り電極５１９が片持梁式の取り４＝Ｊけ構成で
これに支持されている。

抽出電極５１７は、−１１Ｇ的に長方形のスリット５１
７Ｂを含む厚い中央部分５１７Ａを備え、抽出されたイ
オンビームは上記スリットを通過する。

同様に、減速電極５１２も、一般的に長方形の孔５１２
Ｂが形成された中央部分５１２Ａを備え、イオン源から
抽出されたイオンビームはこの孔を通過する。

抽出電極５１７及び減速電極５１２が片持梁式の取り付
は構成にされていることにより、全電極取りイ」け構成
体は開放空間が広くなり、イオン源のイオン出１」スリ
ットから流れ出ずガスのボンピングコンダクタンスが良
くなる。第３７図及び第３８図を参照して上記で説明し
た電極取り付は構成体では、抽出電極２３７を減速電極
支持構成体２３５に支持している絶縁材を汚染から遮断
する必要がある。この遮断構成体は、第３７図及び第３
８図に示してないが、減速電極の孔を効果的に取り巻く
ように絶縁材の内側に取りイ」りられ、槌ってその領域
の真空ボンピングコンダクタンスが相当に低下する。

このようなイオン源及び電極組立体を三弗化ホウ素のよ
うなガス供給源で作動した時には、アーク室内の比較的
高いガス圧力によって相当量の三弗化ホウ素ガスがイオ
ン出口孔から抽出及び減速電極領域へと押し流される。

絶縁材のシールドが配置された状態では、この三弗化ホ
ウ素ガスがイオン飛行管へ多量に逸脱し、ビーム流路の
他の部品に浸透する傾向がある。これに対して、第５６
図及び第５７図に示された電極支持ＩＭ構成体は、抽出
電極が片持梁形態でそれ自体の支持柱に別個に取り４＝
Ｊけられており、これら支持柱は、抽出及び減速電極自
体のイζＪ近に置かれていないシールド構成体５１６に
よって電極支持台５０１から電気的に分離されている。

この領域でのボンピングコンダクタンスが改善されるこ
とにより、第５２図に示されたようにイオン源ハウジン
グと連通ずる真空ポンプ系統は、イオン源のフロントプ
レー１・に設けられたイオン出口孔から逸脱する三弗化
ホウ素ガスを効果的に除去することができる。これによ
り、飛行管及び下流のビーム成分に達するガスの量が減
少される。

第５９図及び第６０図を参照し、ビーム翼ｔｌ＋ｌ制御
系統５２０について説明する。ビーム翼制御系統５２０
は、個々の支（も゛ｒ−ム５２３．５２４の一端に取り
付りられたビーム遮断翼素子５２１．５２２を偏え、支
持アームの他端は第６０図に示ずようにシャフト５２５
に取り付りられている。

シャフト５２５はカム′ｒ−ム５２６も支持しており、
このカムアーム５２には、張カハ不５２７により、力１
１ボ１：Ｊワプレート５２９に支持されたカムホロワ５
２８にのるように偏位される。カムホロワプレー１−５
２９はガイドボスト５３０に沿って垂直方向に移動し、
電気モータ５３２によりヘルド伝動構成体２５３３を介
して（す勢される駆動ネジ構成体５３１によって上下に
駆動される。ｌ対のソレノイド５３４．５３５は、参照
番号５２６で示されたカムアームに対してカムストッパ
をなすように、遠隔制御のもので個々に作動できる。

カムアーム５２６が最も垂直となる位置にありそしてビ
ーム制御９５２１の縁がイオンビームの中心線に置かれ
ている間にソレノイド５３４．５３５の一方を作動する
ことにより、他方のビーム制御翼をカムボロツブレート
及びカムアーム構成体によって別個に作動して、ビーム
制御翼をビームに対してスイープさせて、ビーム電流を
増分的に測定することができる。

ホロワプレ−１−５３７には位置感知ポテンショメーク
５３６が支持されており、このポテンショメークは、駆
動シャフト５３１に支持されたギヤ素子５３９を含むギ
ヤ構成体５３８によって駆動される。このようにして、
ビーム制御翼の位置を示す電気信号が、イオンインプラ
ンテーション装置の手動もしくはコンピュータ制御式の
作動制樹１系統に送られる。

ビーム制御翼組立体の通常の作動中には、両ソレノ、イ
ド５３４及び５３５が消勢され、従ってこれに対応する
ストッパ素子が引っ込められ、両方のカムアーム５２６
が自由に回転し、これと共にカムボロツブレート５２９
が動く。

このようにしζ、ビーム制御翼５２１及び５２２を用い
て、分析磁石組成体のビーム飛行管に入るビームのｆ％
すれが制御される。

ビーム翼制御系統５２０は、ビーム抽出組立体のフラン
ジ５００に完全に取り付いられて支持されるので、ビー
ム制御翼組立体及び抽出電極組立体は単一のモジュール
としてイオン源ハウジング４６０から取り外すことがで
きる。この実施例に示すビーム翼制ｔｉ［ｅｌｄｌ立体
５２０は、ビーム制御翼５２１及び５２２自体がビーム
抽出電極系統の上の高＆領域に配置されているだＬｔ　
”ｆｆｌあるから、第３５図及び第３６図の実施例で述
べたビーム翼制御組立体よりも好ましい。ビーム制御翼
のためのアクチュエータ機構及び回転式取りイ１リシャ
フト（真空シール５２５Ａを含む）は、高温のビーム抽
出領域から離れたところに配置され、従って熱によって
機能が低下することはほとんどない。

第５２図に示されたイオン源のハウジング４６０は、そ
の上面に設けられた長方形の孔４６１をシールする真空
ゲート弁を有していないことに注意されたい。この実施
例では、ビーム飛行管の信頼性を高めると共に、清掃の
ためにビーム飛行管を取り外した時に後段階加速系統と
連通しないようにするために、ビーム飛行管の他側に対
して真空ゲート弁が除去されている。第３６図に示され
たゲート弁構成体は、室の上面に設けれたビーム翼組立
体に冷媒が流れるにも関わらず、高い温度となる。第５
２図ないし第５９図に示した実施例では、翼５２１．５
２２が高温に耐えるグラファイトのような材料で形成さ
れると共に、アクチュエータ系統の鋭敏な部品が高温領
域から取り去られているために、ビーム制御翼の冷却は
不要である。

第６１図ないし第６３図は、イオン質量分析系統４２０
を示しており、これは、基本的に、第５１図に示したイ
オンビーム飛行管４２１の各側に配置された個々の電磁
石組立体を備えている。

電磁石組立体の構造が分かりにくくならないようにする
ため、第６１図ないし第６３図にはイオンビーム飛行管
を示してない。ビーム分析磁石組立体では、電磁石が対
称的に配置されているので、全組立体の片側のみについ
゛ζ説明する。

電磁石組立体を中央のビーム飛行管領域から外方に向っ
て説明すると、この組立体は、内部磁極片５５０及び内
部コイル５５１と、外部磁極片５５５及び外部コイル５
５６とを備えている。内部磁極片５５０の磁極面５５２
は、第６２図の中央の斜線領域で示した一般的な形状を
有している。

内部磁極片５５０の入口縁５５３は、対向した内部磁極
面間にあるビーム飛行管領域に入るリボン状イオンビー
ムの経路に対して約４５°の角度で配置されている。内
部磁極の出口縁５５４は、垂線に対して約３５°の角度
で配置されている。磁極面間にあるビーム飛行管領域か
ら出るイオンビームは、分析されたイオンビームであり
、選択された質量をもつイオン、即し、選択されたイオ
ン種に対応するイオンが、質量分解スリット−これは第
５１図に示したようにドリフト管領域の端に配置されて
いる−に位置した焦点に集束される。

これらの比較的急な角度にされた内部磁極の入口縁及び
出口縁は、両頭域に焦点の合ったビーム収斂ふちをなす
。

外部磁極片５５５、これに関連した電磁石コイル５５６
、並びに戻り磁路ヨーク５３７によって、ビーム分析磁
石組立体４２０の半分が完成される。

ビーム分析磁石のイオンビーム入口領域には入口分路構
成体５６０が設けられており、これはふち磁界領域５６
２の付近に磁界のない領域を形成する。この入口分路が
ないと、充分なふち集束性能が得られない。分析磁石系
統のビーム出口側でイオンの光学系を制御するという木
質的に同じ目的で、内部磁極面間の領域からイオンビー
ムの出口縁に出口分路５６５が設りられゼいる。

内部磁極の全体的な形状は、選択されたイオン種を分解
スリットに集束するような輪郭にされる。

どのようなイオン質量を分解スリットで分解するかにつ
いての選択は、磁極ギャップ内の磁界強度によって決ま
り、これは、次いで電磁石コイル５５１及び５５６に供
給する電流の大きさによって制御される。

コイル５５６及び磁極片５５５より成る外部電磁石組立
体は、冷却容器（図示せず）内に収容され、これを通し
て冷却流体を循環し、コイルの電流によって発生した熱
を消散させる。

第６４図ないし第６８図は、質■分析系統４３０を示し
−Ｃおり、この系統は１対のサイドフェンス５８１と５
８２との間に形成されたイオンドリフト領域５８０を有
している。サイトフェンスは円筒状の端子電極５８３内
に取り付ｋＪられており、この端子電極は円筒カップ状
のエンドキャンプ５８４を有している。端壁５８５には
孔５８６が形成されており、これを通して、選択された
イオン種の集束イオンビームが分解スリット組立体５８
７へ送られる。分解スリット組立体５８７は第６６図に
拡大端面図で示されており、この組立体は、既に述べた
目的で複数の分解スリット用挿入体５８９が取り付けら
れた多分解スリットフレーム５８８を備えている。第６
５図に示したように、多分解スリソＩ・フレーム５８８
は、片持梁式に揺動アーム５９０に取り付けられており
、該アームの他端は結合ブロック５９１に取り付けられ
、次いでこのブロックは第６９図に示された回転シャツ
Ｉ・構成体に取り付けられている。冷媒管の平行構成体
が揺動アーム５９０の長さ方向に延びていて、分解スリ
ットフレーム５８８を冷却するように働く。第６４図及
び第６７図に示したように、冷媒管５９２及び５９３は
、イオンドリフト管領域５８０の終りにある端壁５８５
に冷却流体を供給する。これらの冷媒管は、イオンビー
ム中の選択されないイオンが当たるサイトフェンス５８
１及び５８２も冷却する。

第６４図及び６５図には、ファラデーカップ構成体５９
５が示されており、ファラデーカップ５９６が片持梁式
に揺動アーム５９７に取り（＝Ｊけられ、そしてこのア
ームは、ファラデーカップをイオンビームに近づけたり
離したりするために回転可能なシャフトに固定された結
合ブロック５９８に取りイ」番」られる。イオンドリフ
Ｉ〜管領域の端には抑制磁石系統６００が配置されてお
り、これは、孔５８６の長さに対して垂直な成分をもつ
磁界を形成し、ファラデーカップがビーム内に配置され
た時に電子がファラデーカップから逃げないようにする
。

第６８図及び第６９図は、スライド真空ゲート弁構成体
６１０を示し“Ｃいる。この構成体は、分析磁石組立体
又はイオン源組立体のいずれかに対して保守作業を行う
時に−ドリフト管より手前のビーム流路部品におい゛ζ
真空状態が失われる−、ドリフト管領域５８０の端を選
択的に密封して、ドリフト１泡及び後段階加速系統に真
空状態を維持するように作動される。第６８図及び第６
９図には、多分解スリン１−組立体及び２アラデ一カツ
プ組立体のための駆動機構６２０及び６２１も示されて
いる。これら駆動機構は本質的に同じものであるから、
駆動機構６２０についてのみ詳細に示す。

ゲート弁構成体６１０は、空気シリンダ６１１を備え、
これはベロー構成体６１３を通して延びているシャフト
６１２に接続されていて、ゲート弁６１４を駆動さゼる
。このゲート弁ブロック６１４はローラ６１５にのせら
れ”ζおり、ハネ（＝Ｊ勢弐のカム機構６１７によって
互いに接続されたブロック下部６１４八とブロック上部
６１４Ｂとを存している。シャフト６１２がスライド弐
のケート弁ブロック６１４を開方向に向って押すにつれ
て、結局は、ブロック下部６１４Ａがストッパ６１６に
当たる。この点において、ブロック上部６１４Ｂの行き
過ぎ移動によってカム機構６１７がブロック下部６１４
Ａを、壁５８０Ａと真空シール接触状態に押しつける。

アクチュエータ６２０は、シャツｌ−６２４を駆動する
ように空気シリンダ６２３によって作動されるラチェッ
ト・ボール機構６２２を備えている。

シャフト６２４は、カム機構６２６を介して、回転可能
に取り付けられたシャフト６２５を駆動する。シャフト
６２５は中空シャフトであり、この中には同心的な流体
接触管が配置されていて、揺動アーム５９０を経て延び
る冷媒チャンネルヘ冷媒流体を送る。光学式の位置セン
４Ｊ６２Ｇが設ＧＪられていて、実際のシャフト位置、
ひいては、多分解スリットフレーム又はファラデーカッ
プの位置を表す信号を制御系統に送る。

第７０図は、第５２図及び第５３図に示されたイオン源
のフロントプレート４９５に設る）られた小寸法のイオ
ン出口孔４９６に対する好ましい形状を拡大断面図で示
しζいる。ここに示す特定の実施例では、フロントプレ
ート４９５は、ｊゾのが約６ｍｒｎのグラファイトで形
成される。イオン出口孔４９６の底４９６Ａは約５　’
ｍ　ｍである。その長さは、大きい方の寸法で１１０　
ｍ　ｍである。厚み約０．２５ｍｍの垂直方向の段によ
り最初の垂直壁部分４　！１６　Ｂが形成され、この最
初の壁部分に続いて、約４５°の角度で第２の壁部分４
９６Ｃが形成される。

５ｎ口ｎ１１１のイオン出口孔は、市場に出回っている
公知の全てのイオンインプランテーション装置に用いら
れている１ないし３ｍｍ中の孔と対照的である。前記し
たように、イオンインプランテーションの分野の当業者
及び専門家は、安定なイオンビームを維持しそして充分
な分解性能を得るためにはイオン出口スリットのＩｌ】
を１ないし３ｍｍの範囲内の値（典型的には約２ｍｍ）
に限定する必要があると１８もが劣えていた。本発明の
原理を用いて試作したイオンインプランテーション装置
は、第７１図に示した５　ｍ　ｍ　１１の孔で首尾よく
作動した。孔のｒｌＪの上限は、分析系統で許容できる
最大ビーム発散度の関数であると考えられる。スリン１
司１１を限定する更に別のファクタは、スリン１〜中を
広くした場合にビームの１′■を１泡持するために必要
とされるビーム抽出ギャップ及び抽出電圧の増加である
。特に抽出電圧を高くした場合にはスパーク発生の問題
か多くなるので、成る点で実用限界に達する。

上記したビーム電流の数値（即ら、ホウ素について２８
ミリアンペアそして砒素につい６７ミリアンペア）から
容易に明らかなように、華−出ロスリットシステムに中
の広い出口スリットを使用した場合には（これは、出ロ
スリントの前方に単−のフィラメントカソードが配置さ
れたフリーマン型イオン源にとって好ましい形態である
）、イオンインプランテーション装置に顕著な効果が得
られる。高いビーム電流を取り出すためにこのような中
の広い出Ｉコスリノトを使用した場合の唯一の欠点は、
イオンビームの発散度が大きくなることである。このよ
うにビーム発散度が大きい場合、本発明のイオン光学系
では、−１ｍに、質量分析系統の磁極ギャップを広げる
ことが必要とされる。

然し乍ら、モ３！ｌ極ギャップを広げるというこの必要
性は、分析ル２（石の入口側にふち集束を用いることに
よって相当に軽減できる。

上記したビーム電流は、磁極ギャプが５５　、ｒｎ　ｓ
ｎ−これはホウ素及び砒素のイオンビームに対して現在
のところ最適と考えられるーの場合に得られたものであ
る。この同しギャップを、アンチモンのイオンの場合は
前段階加速電圧を１　’２　Ｋ　Ｖにした状態で、使用
することができる。或いは又、アンチモンのイオンの場
合には、前段階加速電圧を２０ＫＶにした状態で、５０
ｍｍの磁極ギヤツブを使用できる。

本発明による試作装置に用いられたビーム分析磁石系統
は総重量が約１トンであり、これは公知の光学系を用い
たイオンインブランチ−シコン装置で同しビーム電流性
能を得るためにおそらく必要とされるであろう分析磁石
系統の重■６ないし７１−ンと比べて対照的である。磁
石系統の寸法及び重量についてのこの減少は、本発明の
新規なイオン光学系に含まれた多数のファクタと、新規
なイオン源及び抽出系統の作動パラメータとによって得
られる。本発明のシステムは、全体的にみれば、これと
同等のビーム電流の発生を開始できないような公知の“
大電流”装置と大きさ及び重量が同等である。

本発明によるイオンインプランテーションシステムのこ
の改良されたビーム電流発生容量は、商業的に利用され
るイオンインプランテーション装置の製造に今後大きな
影響を与えることになろう。

本発明によるイオンインプランテーションシステムは、
公知形式のイオンインプランテーション装置２台ないし
４台分の働きをすることができる。

この性能は、ビーム流路のコストを大中に増加せずに得
られる。従っ′ζ、イオンインプランテーションは、半
導体集積回路装置をドーピングするための製造技術の選
択のみとなるので、本発明の原理及び本発明全体を構成
する種々の１、ｖ徴を用いたイオンインプランテーショ
ンシステムが市場に出れば、今後高密度の集積回路を製
造するシステムに関連した全投下資本を節減するように
大１１１に貢献することになろう。

本発明の新規な技術は、典型的に７段又は８段のイオン
インプランテーション工程゛−成るものはイオン注入量
が少なくそして成るものはイオン注入■が多い−を伴な
う高密度ＣＭ　ＯＳ回路の製造に特に強い影響を与える
と考えられる。又、０ＭＯ８製造において必要とされる
高イＡン■のホウ素のインプランテーション、例えばイ
オン■がｌ平方センチメータ当たり１０１６個というイ
ンプランテーションに特に大きな影響を与える。

公知の光学系についてのビーム電流の改善公知の一般の
イオン光学系を用いたイオンインプランテーションシス
テムに本発明の幾つかの特徴を組み込んで、実用的なシ
ステム構成で高いイオンビーム電流を得ることも可能で
ある。第５図に示すような一般の光学系では、イオン出
ロスリソ１−３２の寸法の長い部分が分析磁石４０の分
散平面に垂直である。従って、イオンビームはこの分散
平面内で発散する。抽出ビーム電流を増加するためにｒ
ｌ＋の広いイオン出口孔（即し、［１１が４ｒｎｍ又は
５　ｍ　ｍ　）を用いた場合には、おそらく、分散平面
内でのイオンの発散が相当に増加することになろう。こ
の変化たりでは、ビームの大１＋な発散を受け入れるよ
うに分析磁石の入［１面の中を相当に広げない限り、よ
り有効なビーム流がビーム分解スリットを通るごとにな
らない。これは、成る状態において特に出口孔の１１１
を４ｍｍまで広げただりの場合に実用的なものとなる。

然し乍ら、ｒＪｊの広いイオン出口孔を、第３１図につ
いて説明した本発明の加速−減速特徴と組め合わせて用
いた場合には（おそらく成る程度他の変更を入念に行う
ことになる）、公知の光学系を用いたシステムでも相当
に高い有効なイオンビーム電流を得ることができる。本
発明の加速−減速特徴により、ビームを収斂する円筒レ
ンズが形成され、これを用いて分散面内でのイオンビー
ムの発＋ｌｋを減少することができる。これにより、ｒ
ｌ＋の広いイオン源からの大きなビーム発１ｉを処理す
るのに要する分析磁石の入口面の中の増加■が減少され
る。更に、本発明の加速−減速特徴により、イオンビー
ムの速度が下がり、これにより、分析磁石の寸法／電力
要求が下がると共に、磁石の全寸法、重量及び需要電力
を甚だしく増加することなく磁極＋ｌ＋を増加できる。

更に、Ｉｌｌの広いイオン出口孔を、その長さを若干小
さくした状態で（然し、全イオン抽出面積はより大きく
する）使用し、そしてイオン源を分析磁石に近づけて、
磁石に入る全ビーム中を減少することができる。ＩＩＪ
が広（長さが短いイオン出口孔（然し、ビーム抽出面積
はより大きい）、抽出電極及び減速電極による加速−減
速ハイアス機構、及び１１の広い磁石入口面を完全に組
み合わせることにより、公知のイオン光学系でも、相当
に大きな有効なイオンビーム電流を得ることができる。

このようなやり方で、特にホウ素（質量１１）のような
軽いイオンに対し、５０ないし１００％の範囲で有効ビ
ーム電流を増加することができる。

以上、本発明をその種々の実施例について説明したが、
当業者には、特許請求の範囲に記載の如き本発明の範囲
を逸脱することなしに種々の変更を行うことが可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は半導体処理におけるイオン打込み
の使用を示すための半導体ウェーハの一部の縦断面図、
第４図は、従来のイオン打込み装置の上面図、第５図は
従来のイオン１込み装置に用いられているイオンビーム
オプテイクスの斜視図、第６図ないし第１０図は従来の
装置に用いられているイオン源バイアスの原理を説明す
るための略図、第１１図ないし第１３図は従来のオプテ
イクス原理の変形を示すイオンビームオプテイクスの例
の略図、第１４図は本発明にかかるイオン打込みのため
の装置及び方法に用いるイオンビームオプテイクスの概
括的斜視図、第１５図は半導体処理に適用した本発明の
実施例イオンビームラインイクスを概括的に示す斜視図
、第１６図ないし第２８図は本発明にかかるイオンビー
ムオプテイクス及びイオン源装置の種々の実施例を示す
略図、第２９図は従来のイオン打込め装置に一般に用い
られているイオン源バイアスかけ装置の略図、第３０図
及び第３１図は本発明にかかるイオン源電極バイアス印
加装置の略図、第３２図ないし第３４図は本発明にかか
るイオンビームラインの構成部月の種々の構造的細部を
示す略図、第３５図は本発明の実施例におけるイオン源
及び分析磁石装置の一部縦断側面図、第３６図は本発明
の実施例にお＆ｊるイオン源及び分析磁石装置の一部縦
断正面図、第３７図は第３６図の３７−３７線に沿うイ
オン源装置の一部横断平面図、第３８図は第３７図の３
８−３８線に沿う電極組立体の一部縦断面図、第３９図
は第３６図の３．９−３９線に沿って截断してビーム制
御ベーン装置の構造及び作動的細部を示す部分側面図、
第４０図は第３９図の４０−４０線に沿って截断した本
発明にかかるビーム制御ベーン装置の一部横断上面図、
第４１図は第３６図の４１−４１線に沿って截断した真
空封止装置の一部横断上面図、第４２図ないし第４４図
は本発明にかかる変形フリーマン型イオン源装置の一部
断面回、第４５図は本発明にかかる多重分解スリット装
置の斜視図、第４６図ないし第５０図は本発明かかるイ
オンビームオプテイクス及びビームライン構成部材の他
の実施例を示す略図である。 第５１図は、本発明によるイオンインプランテーション
ンステムのビーム流路モジュールを示す部分断面図、 第５２図は、イオン源ハウジング、イオン源及びビーム
抽出電極系より成る本発明のイオン源構成体を示す部分
断面側面図、 第５３図は、本発明によるフリーマン型イオン源モジュ
ールを示す部分断面側面図、 第５４図は、第５３図のイオン源モジュールを５４−５
４線に沿ってみた上面図、 第５５図は、第５３図のフリーマン型イオン源の底面図
、 第５６図ないし５８図は、イオン抽出電極モジュールの
各々前面図、側面図及び上面図、第５９図は、本発明に
よるビーム制御翼システムの側面図、 第６０図は、第５９図のビーム制４（１１Ｎシステムを
６０−６０線に沿ってみた部分断面図、第６１図は、第
６２図の６ｌ−（ｉｌ線に沿ってみた分析磁石組立体の
前面部分断面図、第６２図は、第６１図の６２−６２線
に沿ってみた分析磁石組立体の断面図、 第６３図は、第６２図の分析磁石組立体を６３−６３線
に沿ってみた部分断面図、 第６４図は、本発明による質量分析系統及び後段階加速
系統を示す部分断面側面図、 第６５図は、本発明による質■分析系統の上面図、　第
６６図は、第６５図の６６　＝６．６線に沿ってみた本
発明の質量分析の端面図、 第６７図は、第６５図の６フー６７線に沿ってみた本発
明の質量分析系統を示す別の部分断面端面図、　第ｆｉ
８図及び６９図は、質量分析系統のゲート弁組立体と、
質量分析系統の多分解スリット組立体及びファラデーカ
ップ組立体を駆動するラチェット−カム機構とを示す部
分断面図、そして、 第７０図は、本発明の好ましい実施例によるイオン源出
口スリットの全体的な構造形状を示す断面図である。 １０・・・ウェーハ、１４・・・フィールド領域、１５
・・・フィールド酸化領域、１８・・・活性領域、１９
・・・シリコンゲート領域、２１・・・ソース領域、２
２・・・ドレイン領域、２５・・・引出し電極組立体、
３ｏ・・・イオン源、３２・・・イオン出口アパーチャ
、３２Δ・・・湾曲イオン出口スリット、３６・・・収
束グリッド、３７・・・引出し電極、３８・・・接地電
極、４０・・・分析磁石、４８・・・ベーン装置、５０
・・・分解スリット装置、５１・・・分解用スリット、
６０・・・後段加速装置、７０・・・処理装置、７２・
・・ヒートシンク装置、１００・・・イオン打込み装置
、１３０・・・イオン源装置、１３２・・・イオン出１
」アパーチ中、１３２１″・・・湾曲イオン源スリット
、１３７・・・引出し電極、１３８・・・接地電極、１
３９・・・規準装置、１４０・・・ビーム分析装置、１
４３・・・ギャップ、１４７．１４Ｂ・・・電磁巻線、
１５０・・・ビーム分解装置、１７０・・ウェーハ取扱
い装置、１７１・・・半導体ウェーハ、１７２・・・ヒ
ートシンク、１８０・・・分離静電レンズ、１９０・・
・収差制御ベーン、２００・・・ビームライン装置、２
３０・・・イオンソースモジュール、２３５・・・イオ
ンビーム電極モジュール、２３５Ａ・・・ｗ板、２３６
・・・フリンジ電極、２３７・・・引出し電極、２３８
・・・接地電極、２４３・・・飛行管、２４７．２４８
・・・電磁コイル、２９０・・・ビーム幅制御装置、２
９１・・・ステップモータ、２９２・・・親ねじ装置、
２９４・・・レバーアーム、３００・・・真空ゲート弁
装置、３０２・・・作動用レバー、３０４・・・スライ
ド式ゲート弁、３０５・・・矩形状ガスケット、３０８
・・・ストップ装置、３１５・・・カソードソイラメン
ト、３１６・・・誘電体スペーサ、３１８・・・バイア
ス装置、３１９・・・計器、３３０・・・イオン源、３
３２・・・イオン出口スリット、３５０・・・ビーム分
解装置、２３０Ｆ・・・イオン源、４００・・・ビーム
流路、４１０・・・イオン源構成体、４１１・・・イオ
ン源組立体、４１２・・・イオン源の磁石組立体、４１
３・・・イオンビーム抽出組立体、４２０・・・イオン
質量分析系統、４２１・・・イオンビーム飛行管、４２
２・・・ビーム分析磁石組立体、４３０・・・イオン質
量分析系統、４３１・・・真空ゲート弁、４３２・・・
イオンドリフト管、４３３・・・質量分解スリット組立
体、４４０・・・後段階加速系統、４５０・・・ターゲ
ット素子、４６０・・・イオン源ハウジング、４６１・
・・孔、４６２・・・真空ポンプボー１− 図面の浄吉（内容に変更なし） ＦＩＧ　８ ＦＩＧ、９ ＦＩＧ、　１０ ＦＩＧ、　＋３ ＦＩＧ　＋６ ＦＩＧ、　２２　ＦＩＧ、　２３ ＦＩＧ、　３０ ＦＩＧ、　３４ アクチュエータへ ＦＩＧ、　４１ ＦＩＧ、　４３　ＦＩＧ、　４４ ．１つ〜旧り中　＝ −ｔ］階　覇 へ つ Ｄ ＦＩＧ、　６１ 手続補正書（方式） １．事件の表示　昭和５９年特許願第１７０３３４号２
、発明の名称　イオン注入装置 ３、補正をする者 事件との関係　出願人 ４、代理人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１イオン・ビームを発生させるソース手段、前記イ
   オン・ビームを受け入れ質量に基づいて前記ビ゛−ム内
   のいろいろな種類のイオンを選択的に分・ｍｌし質量分
   析されたビームを生じさせるビーム質量分析手段、およ
   び前記質量分析されたビームの経路内に配置され所定の
   種類のイオンがターゲット素子へ向かって通過すること
   を許すビーム分解手段、を有しており、前記質量分析手
   段はそれに組み合わされたイオン拡散面を有しており、
   前記ソース手段は前記イオン拡散面に平行な面内にかな
   りの範囲の区域を含むイオン・ビームを発生するイオン
   放射エンベロープを有しており、 前記ソース手段と前記質量分析手段の間の領域全体にわ
   たって前記イオン拡散面に平行な面内にかなりの範囲の
   区域を占めるビーム・エンベロープと、前記イオン拡散
   面に垂直な面内にある共通見掛は綿対象物に向かってま
   たはそこから十分に移動して前記質量分析手段に入るイ
   オンとに特徴がある、ターゲット素子にイオンを注入す
   る装置。 （２）前記ソース手段は、は＼長方形の形状と前記イオ
   ン拡散面に平行な長辺をもつイオン出口孔が設けられた
   イオン源を存していることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の装置。 （３）前記イオン出口孔は、イオン源アーク室の前部プ
   レートに設けられており、その幅は３ミリメートルより
   かなり大きいこと、そして、さらに前記イオン出口孔の
   前方に取り付けられ前記イオン源アーク室から大電流イ
   オン・ビームを引き出すよう前記前部プレートに対し電
   気的にバイアスされた引出し電極を有していることを特
   徴とする特許請求の範囲第２項記載の装置。 （４）前記イオン源アーク室の前記前部プレーｌ−の厚
   さは約６ミリメードルであり、前記イオン出Ｌ」孔の幅
   は約５ミリメートルであり、前記イオン出口孔の断面形
   状は前記前部プレートの後面にはり垂直に延びている約
   ０．２５ミリメートルの長さの第１壁部と、前記第１壁
   部から前記前部プレートの前面に向かって約４５″の角
   度で延びている第２壁部より成ることを特徴とする特許
   請求の範囲第３項記載の装置。 （５）前記ソース手段は、複数のイオン出口孔をもつイ
   オン源を有しており、各々の前記孔はは＼長方形の形状
   を有し、その長辺は前記イオン拡散面には一平行であり
   、各々の前記孔から引き出された帯状イオン・ビームは
   前記イオン拡散面内で交差するように方向づけられてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置。 （６）前記ソース手段は、イオン源、前記イオン源から
   イオンを引き出し加速するための電極、および前記電極
   と前記質■分析手段との間に配置され前記電極を通過す
   るイオン・ビームから前記共通の見かけの線対象物に向
   うまたはそこからの経路からかなり逸脱した経路のイオ
   ンを事実上除去するためコリメータ手段を有しているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置。 （７）前記ソース手段は、事前分析加速電圧に電気的に
   バイアスされたイオン放射領域を有するイオン源、前記
   イオン放射領域の近くに配置され前記イオン源からイオ
   ンを引き出し加速するため前記事前分析加速電圧に対応
   する電圧値にバイアスされた引出し電極および前記引出
   し電極の下流に配置され電極間の領域を通過するイオン
   の速度を十分に落とすため前記引出し電圧に対応する電
   圧値にバイアスされた減速電極を有していることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の装置。 （８）　さらに、前記事前分析加速電圧を供給する安定
   化電源と、前記引出し電極の前記電圧を供給する非安定
   化電源とを有していて、前記ソース手段と前記引出し電
   極との間にスパーク放電が起きたとき前記引出し電極の
   電圧が急速に低下することにより、引き出されて前記質
   屋分析手段に入るイオンの速度にほとんど影響を与えず
   に、前記スパーク放電のエネルギーを制限し、迅速にス
   パーク放電を止めることを特徴とする特許請求の範囲第
   ７項記載の装置。 （９）前記引出し電極に対する前記バイアス電圧は、前
   記事前分析加速電圧と前記減速電極に加えられた電圧と
   の差の少なくとも約１０％の大きさを有していることを
   特徴とする特許請求の範囲第７項記載の装置。 （１１前記ビーム分解手段は、各々が分解スリットを有
   する複数のビーム分解素子と、前記ビーム分解素子の１
   つを前記質■分析されたビームの経路に選択的に配置す
   る手段とを有していることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の装置。 （１１１前記ソース手段は、その−壁面に細長いイオン
   出口孔を有するイオン源室、前記イオン源室内に縦に配
   置された細長いフィラメント陰極、前記フィラメント陰
   極の両端に電位差を生しさせる電流を加える手段、ｎ；
   」記イオン源室内にイオンを発生させるため前記イオン
   源室と前記フィラメント陰極との間にアーク発生バイア
   スを加える手段、および前記イオン源室の一端から他端
   まで不均一なイオン発生特性を相殺するため前記フィラ
   メント陰極の一端から他端まで不均一な磁界強さを有す
   る前記フィラメント陰極に平行な磁界を加える磁気手段
   、を有していることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の装置。 （ロ）前記磁気手段は、前記ソース手段の両端に配置さ
   れ前記フィラメント陰極にはＮ−直線に並んでいる１対
   の磁極片と、前記磁極片上に配置され各磁極片の近くに
   生した磁界の強さを独立に制御する独立した界磁コイル
   を有していることを特徴とする特許請求の範囲第１１項
   記載の装置。 住３）前記ソース手段は、その−壁面に形成された細長
   いイオン出Ｌ１孔を有するイオン源室、前記イオン源室
   内に縦に配置され前記イオン出［」孔には一平行な細長
   いフィラメント陰極、前記イオン源室内に取り付けられ
   相互に電気的に隔離された複数の独立した陽極素子、お
   よび各々の前記独立した陽極素子と前記フィラメント陰
   極の間を流れる電流を独立して検出する手段、を有して
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置
   。 Ｑ４１　前記質量分析手段は、環の円弧形の形状と前記
   拡１１に面に対し角度がつりられた向い合った内部表面
   をもつ１対の磁極片を含む質■分析磁石装置より成って
   おり、前記磁極片の小さい半径部分に対応する領域内に
   十分に狭い磁極ギャップが存在することにより、前記磁
   極片はその間を通過するイオン・ビームに対し連続収斂
   の集束作用をもつ不均一の磁界をイオン・ビーム拡散面
   に垂直な方向に発生ずることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の装置。 ａつ　前記質量分析手段は、相互には−等しい距離だけ
   間隔をおいて配置された内部表面をもつ１対の磁極片を
   含む質量分析磁石装置より成り、前記磁極片のビーム人
   口端において磁石装置の非拡散面内でイオン・ビームに
   対する集束レンズ作用を生じさせる強い集束用フリンジ
   磁界が得られるように、前記磁極片の前部入口縁は前記
   磁極片間の領域を横断するイオン・ビームの入口経路に
   対し十分に角度がつけられていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の装置。 α６）前記角度付きの磁極片縁の前記集束用フリンジ磁
   界に出会う前に、前記イオン・ビームに対し磁界のない
   入口領域を提供し前記集束用フリンジ磁界の効果を高め
   るために、前記磁極片のビーム入口端に、前記磁極片か
   ら短い距離をおいてビーム入口磁気分路が設けられてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１５項記載の装置
   。 ＋１７）　発生したイオンが自由に通過することができ
   るイオン出口孔を有し事前分析加速電圧に電気的にバイ
   アスされたイオン源、前記イオン出口孔の近くに配置さ
   れ前記イオン源からイオンを引き出し、加速する引出し
   電極、前記引出し電極の下流に配置された減速電極、お
   よび前記減速電極と前記質量分析手段の間に取りイ１け
   られ、前記質量分析手段に入るイオン・ビームの有効幅
   を制御する１対のビーム制御ベーン、を有しており、前
   記ビーム制御ベーンは前記イオン・ビームの軸線に対し
   いろいろな角度で選択的に位置決め可能な自由端を有す
   るその外側部分で回転できるように取り付けられている
   ので、制御へ一ンの自由端を相互に回転させることによ
   り、イオン・ビームの幅の微調整が行えることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の装置。 αの　前記ソース手段は、発生したイオンが自由に通過
   することができるイオン出口孔を有し事前分析加速電圧
   に電気的にバイアスされたイオン源、前記イオン出口孔
   の近くに配置され前記イオン源からイオンを引き出し加
   速する引出し電極、前記引出し電極の下流に配置された
   減速電極、および前記質量分析手段に入るイオン・ビー
   ムの有効幅を制御するビーム制御ベーン組立体を有して
   おり、前記ビーム制御ベーン組立体は、前記減速電極の
   下流に配置された１対の」：部ベーン、各々の前記ベー
   ンの一端に取り付けられ前記減速電極と前記引出し電極
   の外側縁を越えて延びているベーン支持部材、各々のベ
   ーン支持部材の他端に結合され前記電極を通過する前記
   イオン・ビームから離れた場所で前記ベーンと前記ベー
   ン支持部材を回転できるように取り（ｔ　Ｌｊる回転取
   付は手段、および前記ベーンが前記イオン・ビームの所
   定の長さ部分をさえぎるように前記回転数イ」番）手段
   を駆動して前記ベーンを選択的に位置決めする手段、資
   有していることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の装置。 ０９）前記ビーム制御ベーン組立体は、さらに、前記ベ
   ーンの一方のみを前記ビームに対し選択的に出し入れる
   と同時に他力のベーンをイオン・ビームの半分を完全に
   さえぎる位置に保持する手段を有しており、前記イオン
   ・ビームの半分の付加的増分部分を前記質量分析手段へ
   徐々に通ずことにより、前記イオン・ビームの特性を判
   定できることを特徴とする特許請求の範囲第１８項記載
   のイオン注入装置。 （へ）　前記ソース手段は、イオン源ハウシングと、前
   記イオン源ハウシング内に取りイＮｊりられクリーニン
   グや保守のためにそこがら独立して取り外すことが可能
   な電極モジュールとイオン源モジュールを有しており、
   前記電極モジュールは取り付りフランジ、前記取イζＪ
   リフランジ上に支えられた電極支持台、および前記支持
   台上に支えられた電極組立体を含んでおり、前記取付Ｊ
   ｌフランジは、前記取付はフランジ、ｌ１ｉｊ記支持台
   、および前記電極組立体が独立して取外し可能なモジュ
   ールを構成するように前記イオン源ハウジングに対し取
   り外しできるように取り４′ＮＪけられており、そして
   前記イオン源モジュールはイオン源取伺はフランジ、前
   記イオン読取イ１けフランジ上に支えられたイオン源、
   および前記イオン源取（（Ｊけフランジ上に支えられた
   イオン源絶縁体より成り、前記イオン源モジュールが、
   独立して取外し可能なモジュールを構成するように前記
   イオン源取付はフランジとともに前記電極モジュール取
   イ」けフランジに対し取り外しできるように取り付りら
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   装置。 １２＋１　所定の種類のイオンより成る大電流イオン・
   ビームを作る、次の諸ステップより成る方法。 （イ）質層に基づいて、イオン・ビーム内のいろいろな
   種類のイオンを分離するため、関連するイオン拡散面を
   有するイオン・ビーム質量分析磁界を作ること、 （ロ）前記質量分析磁界に入る前記ビームの移動領域全
   体にわたって、前記イオン拡散面に平行な面内にかなり
   の範囲の区域を占めるイオン・ビーム・エンベロープを
   有するイオン・ビームを作り、前記イオン・ビーム質量
   分析磁界内に導入すること、および （ハ）前記質量分析磁界より出てくる質量分析されたイ
   オン・ビームから所定の種類のイオンより成るイオンを
   分離すること。 （２）大電流イオン・ビームを作り導入する前記ステッ
   プは、第１の辺が第２の辺より長く、は＼長方形断面を
   有し、前記第１の辺に平行に砥びるイオン・ビームを作
   るステップより成ることを特徴とする特許請求の範１７
   Ｉｆ第２１項記載の方法。 （イ））質量分析磁界を作る前記ステップは、１幻の向
   い合った磁極面の間に質量分析磁界を作り、前記磁界に
   入るイオンの質量対電（：：Ｊの比にＷついて前記イオ
   ン・ビームを異なるビーム経路に分離するステップより
   成っており、そして大電流イオン・ビームを作る前記ス
   テップは、イオン放射領域を有するイオン源、前記領域
   の前方に配置された引出し電極、およびｎｉｉ記引出し
   電極の前方に配置された第２の電極より成るイオン源装
   置を前記磁界に面した位置に配置するステップを含んで
   おり、そして、さらに、（イ）事前分析加速電圧を前記
   −イオン源に加えること、 （ロ）前記イオン源からイオンを引出し加速するため前
   記事前分析加速電圧に対応する値のバイアス電圧を前記
   引出し電極に加えること、および （ハ）前記引出し電極と前記第２電極の間を移動するイ
   オンの速度を十分に落とすため、前記引出し電極に加え
   られた前記バイアス電圧値に対応する値のバイアス電圧
   を前記第２電極に加えること、 の諸ステップを含んでいることを特徴とする特許請求の
   範囲第２１項記載の方法。 個）前記イオン源に事前分析加速電圧を加える前記ステ
   ップは、前記イオン源に安定化された電圧を加えるステ
   ップより成っており、前記引出し電極にバイアス電圧を
   加える前記ステップは前記引出し電極に安定化されない
   電圧を加えるステップより成っており、前記イオン源と
   前記引出し電極との間にスパーク放電か起きたとき前記
   電圧が急速に低下することにより、引き出されて前記質
   量分析手段に入るイオンの速度にほとんど影響を与えず
   に、前記スパーク放電のエネルギーを制限し、迅速にス
   パーク放電を止めることを特徴とする特許請求の範囲第
   ２３項記載の方法。