JPH0746593B2 - イオン打込み用大電流イオンビーム発生方法及びイオン打込み装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 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
ゲット素子に打込む方法及び装置に関し、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
に打込む方法におけるイオン打込み用大電流イオンビー
ムを発生する方法及びその方法に直接使用するイオン打
込み装置に関する。

（従来の技術） 本発明の方法及び装置は、金属の表面にイオンを打込ん
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（LSIC）チップの製造である。
それで、本明細書においては本発明の方法及び装置をLS
IC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
性を理解するための一助として、IC製造に対する若干の
背景情報を以下説明する。

半導体処理過程におけるイオン打込み技術の使用 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
ける最も顕著な進歩は、リソグラフィ及びエッチング装
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ッ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、ウェーハのドーピング領域、即ち導電率変換用不純
物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（L
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、及びノイズを減らすことによって
改良される。これら改良の全ては、その大部分が、イオ
ン打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
で予備デポジションを行ない、且つ同時に、イオン打込
み設備の特性である低汚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によってなされている。

ウェーハの表面にドーパント材の気体式またはスピンオ
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、という方法で半導体ウェー
ハ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。LSICまた
はVLSIC（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、
イオン打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。

イオン打込み技術の使用例 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一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形ウェーハ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は標準のリソグラフィ加工を用いて形成される。即
ち、レジスト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。これはポジティブレジスト材を用いるポジテ
ィブリソグラフィ処理として知られている。上記レジス
ト層を露光及び現像した後、一般に、熱酸化物の薄層12
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への打込みは上記薄い酸化
物層を通じて行われることになる。

硼素のようなＰ形材料のイオンの浅い打込みを、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は、
ホトレジスト材の領域11の下に横たわっている装置の活
性領域の間の電気的絶縁を大きくするために行われる。

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
成長させる。この酸化処理中に、フィールド領域14に打
込まれたイオン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ホトレジスト領域11
を除去し、薄いゲート酸化物17を活性領域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、浅い打込み工程にお
いてＮ形ドーパントイオン16をゲート酸化物層17を通し
て打込んで、打込み済み領域18を作る。

この浅いスレショルド設定用打込みを行なった後、リソ
グラフィ及びエッチング工程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図に示すような
装置構造を作る。その後、Ｎ形イオンの高濃度打込みを
行って、シリコンゲート領域19並びにソース領域21及び
ドレイン領域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ッ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、未加工のウェーハから
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に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。

イオン打込み装置の望ましい特徴 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量を決定する主なパラ
メータはイオンビーム電流である。約10ミリアンペア
（mA）の硅素イオンビーム電流を発生するような、今日
のところ高電流装置と考えられているものを備えた、イ
オンビーム電流発生能力を大幅に変えることが可能な多
数の各種装置の開発が要望されている。

従来のイオン打込み装置 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、10mAイオン打込み装置としては、
幅約3.35m（11フィート）、長さ約5.49m（18フィート）
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にある。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主な構
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
オンビームオプティクス（イオン光学系）を示す。第４
図は「ヌークリア・インストルーメンル・アンド・メソ
ッズ」（Nuclear Instruments and Methods）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「200kV工業用高電流イオン打込み装置に対する
設計原理」（The Design Philosophy for a 200 kV Ind
ustrial High Current Ion Implantor）から取ったシリ
ーズIII AITイオン打込み装置の配置を略示すものであ
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長方形のリボン状ビームであ
り、8:1ないし30:1の一般的縦横比を有する。

イオン源30からの発散ビームは、回転式入口磁極46を有
する質量分析磁石に入る。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、分解スリット51内
に合焦させられる。上記ドームが質量分析磁石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ップモータによっ
て駆動され、１ステップ当たり約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質量分析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160kVの電圧まで浮
動して上記ビーズ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キャップ55の中で
達成される。後段加速ギャップ55の直ぐ後には、磁気的
に制御されるシャッタ56が配置され、ビームがウェーハ
処理装置70に入る前のビーム電流を測定する。

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。

従来の一般的なイオンビームオプティクス 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、イオン源装置30、質量
分析磁石40、分解スリット装置50、後段加速装置60、及
びウェーハ処理装置70を有する。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）によって引出さ
れ、質量分析磁石40の磁極ギャップへ向かって導かれる
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、質量分析磁石40の分散平面と平行な平面内で発散
する。上記分散平面は上記磁極面41と下部磁極面42との
間の中央平面である。

上記磁極41と下部磁極42との間の電極ギャップ内で、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行根に比例する半径
Ｒの経路内へ曲げられる。上記引出し電極構造体は、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じ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質量分析磁石内で生ず
る。質量分析磁石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、分解スリッ
ト装置50のアパーチャ即ち分解スリット51を通るように
上記質量分析磁石によって合焦されて後段加工装置60に
入り、該後段加速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、ウェーハ処理装
置70内のヒートシンク装置72上に取付られているウェー
ハ71を衝撃する。

選定された電荷対質量比を有するイオンは、分解スリッ
ト装置50のアパーチャ即ち分解スリット51を通るように
上記質量分析磁石によって合焦されて後段加速装置60に
入り、該後段加速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、ウェーハ処理装
置70内のヒートシンク装置72上に取付けられているウェ
ーハ71を衝撃する。

電荷対質量比を実質的に異にするイオンは質量分析磁石
を通過して分解スリット51は左または右へ集束させら
れ、このようにして、目標のウェーハ71を衝撃する最終
的イオンビームから選別される。

従来のイオン打込み装置における発展的開発 最初のイオン打込み装置においては、イオン源の出口孔
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、この円形穴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
きる円形穴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。イオン源の出口孔の垂直方向及び
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
くして長方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。この長方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、質量分析磁石の
磁極片に対して同じ方向に向いているイオン源の出口孔
すなわちイオン出口孔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。イオンビームオプティクスすなわちイオン光学
系の観点からは、細長いスリット状のイオン出口孔は連
続した一連の点源と考えることができ、この一連の点源
は分解スリット51における長く伸びた長方形領域とな
る。

従来の技術においては、アイソトープセパレータの技術
における研究に基づいて、垂直スリットが磁石の分散平
面に垂直に配置することが、最大の電流を得るには最も
よい方法であると考えられた。このような方法では、イ
オン出口孔も質量分析磁石の磁極面に対して同じ配向を
有する（すなわち垂直である）ならばさらに高い電流が
得られることは明らかである。従って、従来の技術で
は、イオン打込み打ち込みに類似の技術分野においてう
まくいくと思われる方法と同じ方法が採用された。

イオンビーム電流を益々高くするために、イオン出口孔
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図に示す如く保持された。イオン出口孔32の
増大した長さを受入れるために、質量分析磁石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、質量分析
磁石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光学系を水平に見た
ものである。（図示の便宜上、イオン経路を展開してイ
オン源及び分解スリットを共通平面内に示してある。こ
れは、イオン分散平面と平行なイオン光学系を示すため
の標準的な方法である）。イオン出口孔の長さが短けれ
ば（32′）、長いイオン出口孔32に必要な磁極ギャップ
ｄよりもかなり小さな磁極ギャップｄ′を有する質量分
析磁石を用いることができる。

細長いイオン出口孔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すために、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
したイオン出口孔をもって設計された。湾曲したイオン
出口孔32Aにより、有効イオンビーム源長d_i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、装置の質量分析磁石の小形化についてかなりの改良
が得られた。イオン出口孔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
曲したイオン出口孔の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は実質上イ
オン出口孔32Aの後方に位置する「仮想線源」から出て
質量分析磁石に入るようにイオンを発生する。ここで、
「仮想線源」とは、イオンビームオプティクスすなわち
イオン光学系の焦点である仮想点（虚の焦点）の集まり
であるいわゆる虚の線源のことである。従来のイオン光
学系における上記仮想線源の位置は、第22図及び第23図
にも示すように、厳密にはプラズマメニスカスの表面形
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孔の幅は、線源の位置が解かるよう
に拡大して描いてある。実際には、上記イオン出口孔
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ミリメートルの範囲内、通例は約２ミリメートルの
幅で形成されている。）第22図には表面形状が凹状のメ
ニスカスを示してあり、線源はイオン出口孔32の前方の
位置31A′にある実の線源である。第23図には表面形状
が凸状のメニスカスを示してあり、この表面形状の結果
として第８図における位置と同じように、イオン出口孔
の後方の位置31B′に仮想線源すなわち虚の線源がある
ことになる。安定なプラズマメニスカス、従ってまた安
定な実または虚の線源（仮想線源）の位置は、分解スリ
ットにおける質量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、イオン出口孔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、90mmのイオン出口孔長及
び40mm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、イオン出口孔長をも
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ャップ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質量分析磁石
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
極ギャップの増大には上述の不所望な効果を伴う。

イオン源30を質量分析磁石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幅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
ームの大部分がイオン源と質量分析磁石との間の長い飛
行線領域において中性化されるので、長いイオン出口孔
により追加された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、質量分析磁石による分析及び
分解スリット内への合焦が不可能である中性化されたイ
オン種としての損失を避けるために、イオン源から磁石
までの領域内の圧力を低下させる、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を質
量分析磁石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在のイオン打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10図に
示すイオンビームオプティクスの使用を継続している。
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付属
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」（REVIEW SIENTIFIC INSTR
UMENTS）誌、1981年９月号に所載の論文「高効率イオン
ビーム加速装置」（High Efficiency Ion Beam Acceler
ator System）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
示すように配列されたイオン出口孔の二次元アレイ32A
を有するイオン源を用いている。このイオン出口孔のア
レイの長辺は、質量分析磁石40のイオン分散平面と垂直
の平面内にある。上記イオン出口孔は、アレイの各列の
中心線がイオン源の前面の近くにある共通交点に収束す
るように形成されている。収束グリッド36が、イオン出
口孔のアレイ32Aの前面に配置されており、そして個々
のイオン出口孔からのビームに対して個々の収束レンズ
を形成するようにバイアス印加されている。このように
して、個々のイオン出口孔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線源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、イオン
分散平面と平行な平面内に第５図に示すイオン源におけ
る細い出口孔の幅よりも大きい、或る程度の広がりを有
するイオンビームエンベロープから形成される。ここ
で、「イオンビームエンベロープ」とは、イオン出口孔
から発生したイオンビームが占めるイオン源から質量分
析磁石の方へ延びた領域のことである。アストンのイオ
ン源の個々のイオン出口孔はいずれも、約2.08m（0.082
インチ）の直径を有しその幅は、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イオン出口孔の幅の１
ないし3mm（0.04ないし0.12インチ）の範囲中で大きな
方である。アストンが用いたアレイにおける53個のイオ
ン出口孔は、幅約12.7mm（約0.5インチ）、長さ約25.4m
m（約１インチ）のイオンビーム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線源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線源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イオン出口孔のアレイの全体的幅
は非常に制限される。幅がもっとかなり広いイオン出口
孔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イオン出口孔を用いるこ
とにより、イオンビームエンベロープがイオン分散平面
と平行に延び、そして単一イオン出口孔において発生す
るよりもかなり大きなオイ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って
は、イオン分散平面と平行な平面内でのイオンビームエ
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、非常に制限され
る。アストン型イオン源のアレイのイオン出口孔を５列
以上配列すると、個々のビームを該イオン源の近くの線
源に収束させることが次第に困難になり、ビーム品質が
許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ビームエンベロー
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、収束したイオン出口孔の機械的
配列によってメニスカスの総体的な形状、すなわち、イ
オンビームエンベロープの全体について単一のメニスカ
スとみなされるメニスカスの形状が維持される限り、プ
ラズマメニスカスの安定性を損なうことなしにイオン引
出しスリットの幅を増大させることができるという効果
を奏するだけである。

（発明が解決しようとする問題点） 従来技術においては、イオン源のイオン出口孔が、質量
分析磁石の分散平面に対し垂直な方向に長い長方形スリ
ットの形状に形成されているので、ビーム電流を大きく
するためにイオン出口孔の垂直方向の長さを大きくする
と、質量分析磁石の磁極ギャップを大きくしなければな
らず、質量分析磁石の大型化を招いていた。また、イオ
ン源を質量分析磁石から離すと、ビーム発散やイオンビ
ームの中性化という別の問題が生じ、それを防ぐために
新たな手段を設けなければならず、結局イオン打ち込み
装置全体の大型化および製造費用の増大を招いていた。

さらに、イオン出口孔の垂直方向及び水平方向の寸法を
同時に増した場合にはプラズマメニスカス（イオン源に
おいて発生されそこに含まれるプラズマのイオン出口孔
における境界）が不安定となるので、従来のように質量
分析磁石の分散平面に対し垂直な方向に長い長方形スリ
ットの形状のイオン出口孔では、その幅は３ミリメート
ル以下に制限されていた。

発明の目的 従って、本発明の目的は、装置の大型化及び製造費用の
増大を招かずにイオンビーム電流を大きくすることであ
る。

更に、本発明の目的は、装置の大型化及び製造費用の増
大を招かずにイオンビーム電流を大きくすることができ
るイオン打ち込み装置及び方法を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明は、イオン出口孔を通
してイオンビームを発生するイオン源から成るイオン源
手段を有し、前記イオンビームを受け取って電荷対質量
比に基づいてイオンビーム中の各種イオンに選択的に分
離してビーム出口において質量分析されたビームを発生
するビーム質量分析手段を有し、該ビーム質量分析手段
はそれと関連するイオン分散平面を有し、質量分析され
たビームの通路に配置され、所定の種類のイオンを前記
ターゲット素子へ向かって通過させるビーム分解手段を
有するターゲット素子にイオンを打込む装置において、
前記イオン出口孔は、前記イオン分散平面に対し平行な
方向に湾曲し且つほぼ長方形の形状と前記イオン分解平
面に対し平行な長辺を持つスリットから成り、前記イオ
ン源は、該イオン源と前記ビーム質量分析手段との間の
領域全体にわたって前記イオン分散平面に平行な面内に
かなりの範囲の区域を維持するイオンビームを発生し、
前記イオン源から前記ビーム質量分析手段に入るイオン
は、前記スリットの形状により規制される前記イオン分
散平面に垂直な平面内にある仮想線源に向かって又はそ
こから出ていくように移動する、ことを特徴とするイオ
ン打込み装置を提供する。

また、本発明は、イオン出口孔を通してイオンビームを
発生するイオン源から成るイオン源手段を有し、前記イ
オンビームを受け取って電荷対質量比に基づいてイオン
ビーム中の各種イオンに選択的に分離してビーム出口に
おいて質量分析されたビームを発生するビーム質量分析
手段を有し、該ビーム質量分析手段はそれと関連するイ
オン分散平面を有し、質量分析されたビームの通路に配
置され、所定の種類のイオンを前記ターゲット素子へ向
かって通過させるビーム分解手段を有するターゲット素
子にイオンを打込む装置において、前記イオン出口孔
は、前記イオン分散平面に対し平行な方向に湾曲するよ
うにイオン源のアーク室の前部プレートに設けられ且つ
ほぼ長方形の形状と前記イオン分散平面に対し平行な長
辺と３ミリメートルよりかなり大きな幅を持つスリット
から成り、前記イオン源は、該イオン源と前記ビーム質
量分析手段との間の領域全体にわたってー−イオン分散
平面に平行な面内にかなりの範囲の区域を維持するイオ
ンビームを発生し、前記イオン源から前記ビーム質量分
析手段に入るイオンは、前記スリットの形状により規制
される前記イオン分散平面に垂直な平面内にある仮想線
源に向かって又はそこから出ていくように移動する、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す
る、ことを特徴とするイオン打込み装置を提供する。

更に、本発明は、所定の種類のイオンより成る大電流イ
オンビームを発生する方法において、電荷対質量比に基
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、関連するイオン分散平面を有するイオンビー
ム質量分析磁界を形成し、イオン源でイオンビームを発
生し、該イオンビームが前記イオンビーム質量分析磁界
に入る前記イオンビームの移動領域全体にわたって前記
イオン分散平面に平行な平面内にかなりの範囲の区域を
維持するイオンビームエンベロープを有するように、前
記イオンビームを、前記イオン分散平面に対し平行な方
向に湾曲し且つほぼ長方形の形状と前記イオン分散平面
に対し平行な長辺を持つスリットを通して前記イオンビ
ーム質量分析磁界に向け、前記イオンビーム質量分析磁
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、ことから成る
イオン打込み用大電流イオンビーム発生方法を提供す
る。

本発明の主要部の構成 本発明の主要部は、イオン出口孔を、イオン分散平面に
対して平行な方向に湾曲し且つほぼ長方形の形状と前記
イオン分散平面に対し平行な長辺を持つスリットで構成
したこと、そのスリット状イオン出口孔の幅を３ミリメ
ートルよりかなり大きくしたこと、及びイオン源が、該
イオン源とビーム質量分析手段との間の領域全体にわた
ってイオン分散平面に平行な面内にかなりの範囲の区域
を維持するイオンビームを発生し、イオン源からビーム
質量分析手段に入ったイオンが、前記スリットの形状に
より規制されるイオン分散平面に垂直な平面内にある仮
想線源に向かって又はそこから出ていくように移動する
ことである。

以下、これらの構成を他の構成要件と関連して概略説明
する。

本発明において、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
するイオン源手段、及び上記ビーム内の種々のイオン
（イオン種）を電荷対質量に基づいて選択的に分離して
質量分析済みビームを作るためのビーム質量分析手段
（一般には質量分析磁石）を有する。ビーム分解手段
が、予め選定されたイオン種をターゲット素子へ通過さ
せるために上記質量分析済みビームの経路内に配置され
ている。ビーム質量分析手段は、関連するイオン分散平
面を有する。イオン源手段は、該イオン源と上記ビーム
質量分析手段との間の領域の全体にわたる上記イオン分
散平面と平行な平面内にかなりの区域を維持するイオン
ビームエンベロープを有するイオンビームを発生する。
上記ビーム質量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仮想線源へ向か
ってまたはそこから出ていくように移動する。

本発明によれば、イオンビームエンベロープは、プラズ
マイオン源のアーク室内の連続した長く延びた長方形ス
リートのような実質的に連続したイオン放出領域すなわ
ちイオン出口孔によって形成される。本発明の他の実施
例においては、イオンビーム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、複数の長方形イオン出口孔を有するものであ
り、各長方形状イオン出口孔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
分な分解パワーを持つためには、イオン源のイオン出口
孔の幅を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わ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、イオン出口孔を
３ミリメートルよりもかなり広く、例えば５または６ミ
リメートルにし、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、幅が５ミリメ
ートル、長さが100ミリメートルのイオン出口孔を有す
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。

本発明によれば、幅広スリットでは安定ビームを維持で
きないとした従来の知識は従来の形状に対してだけの真
実に過ぎなかったということが明らかにされる。本発明
の幅広スリットの実際の構造は、従来技術により幅広ス
リットを形成することにより簡単に達成できる。本発明
の技術に従って構成されたイオン打込み装置によれば、
幅広イオン出口孔を用いることができ、従って実質的に
大量のビーム電流をそのイオン源によって得ることがで
きる。

本発明においては、イオン源手段は、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ための電極を含
む。

本発明においては、イオン源は、複数の対応のイオンビ
ームを発生するために所定の形状に配置された複数の小
さなイオン出口孔を有しており、前記イオンビームはイ
オンビームエンベロープを有する。上記イオン出口孔
は、上記イオンビーム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区域を有している限り、単一列
にも、規則的な二次元アレイにも、または他の任意の配
列にも配置される。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
質的に長方形状を有している複数のイオン出口孔を有す
るイオン源を有しており、上記長方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
孔の使用は、イオンビーム出口孔の長辺を、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付属の
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。

本発明の方法は、イオンビーム内の種々のイオン（イオ
ン種）を電荷対質量に基づいて分散するための関連する
イオン分散平面を有するイオンビーム質量分析磁気を形
成する段階を有する。イオンビームを発生させ、そして
そのイオンビームを、イオン分散平面に平行な方向に湾
曲し且つほぼ長方形の形状とイオン分散平面に対し平行
な長辺を持つスリットを通してイオンビーム質量分析磁
界内に導く。イオンビームはイオンビームエンベロープ
を有しており、該イオンビームエンベロープは、イオン
ビーム質量分析磁界内へのビームの移動領域の全体にわ
たってイオン分散平面と平行な平面内にかなりの区域を
維持する。最終段階は、所定の種類のイオンより成るイ
オンを質量分析済みビームか分離することである。

（本発明の実施例） 本発明のイオンオプティクス及び基本原理 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、従来のイオンオプティクス
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
ける線源（虚のまたは実の）の位置はプラズマメニスカ
スの形状によって決定され、何等かの幾何学的因子によ
るのではない。

すなわち、従来の技術では、実際にイオン出口孔の形状
を規定して線源の位置を決定するのはメニスカスの表面
である。

第11図ないし第13図の従来の構成においては、線源は複
数のイオン出口孔の共通の焦点によって機械的に制御さ
れるが、良好な全体的ビーム品質を保持するためにはイ
オン源の前面に近くになければならない。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
ける仮想線源は、イオン分散平面内の単一または複数の
イオン出口孔の幾何学的構造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20図）こ
ともできる。直線状のイオン出口孔を用いると、仮想線
源は無限大距離にある。もっと重要なこととして、イオ
ン分散平面と平行な平面内のイオン源のイオンビームエ
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がない。

イオン打込み装置の像形成装置は光学系の配列と考えら
れている。従って、光学系の分野において当てはまる一
般的認識による原理はプラズマ光学系を理解する目的に
も適用できる。レンズの配列による光学系では、収束は
レンズとその対象物との間の関係を変えることにより達
成される。従来の技術では、イオンビームが収束されな
ければならず、そしてこの収束は、イオン出口孔の焦点
に、すなわちイオン源の前面付近に、線源を有すること
により達成される。

本発明では、イオン出口孔の形状は、プラズマメニスカ
スの形状とは無関係に線源の位置を決定する（第17図な
いし第20図参照）。さらに、基本的な光学論理によれ
ば、孔、例えばピンホールの寸法及び形状が、その孔の
一方の側を通過して入射してくるビームに対して孔の他
方の側の焦点を決定する。これは従来の技術のイオン打
込み装置においてビームを収束させるための基本であ
る。これに対して、本発明は、ビーム質量分析手段のイ
オン分散平面に平行なイオン出口孔を与えており、この
ビーム質量分析手段では、イオン分散平面の領域全体に
わたってイオンビームエンベロープが延びている。出願
人は、この装置により大きな電流がイオンレンズ装置を
通してターゲットの方へ転送され、イオン源からビーム
質量分析手段を通して転送されるイオンの転送効率が従
来の技術に比べて大きく改善される、ことを発見した。
従って、本発明では、線源の位置を決定するのに重要な
のは出口孔である。

従来技術の方法によれば、イオン源とビーム質量分析手
段の間のイオンビームの発散は、電流の大きな損失を招
く。というのは、イオンビームエンベロープが分散平面
に対して垂直な方向に延びており、従ってイオンビーム
エンベロープの発散が分散平面に対して垂直となって分
散平面から外れるからである。これに対して、本発明は
イオン分散平面に平行に延びるイオンビームエンベロー
プを与えている。従って、イオンビームエンベロープの
如何なる発散も分散平面内に含まれ、電流損失の低減を
達成でき、それにより大量の電流転送を達成できる。

装置全体の大きさを小さくしても、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
ね形の複数イオン出口孔は、従来の装置（第11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、複数イオン出口孔では単一の仮想線源
がなく、そして複数の実の線像が分解スリットに現れる
からである。換言すれば、分解スリットにおいて各質量
のイオン種の共通合焦像を有する単一の質量分析済みイ
オンビームは、複数イオン出口孔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。

本発明の装置においては、仮想線源の位置が、複数イオ
ン出口孔の各々に対して同じにすることのできる幾何学
的因子によって決まるので、複数イオン出口孔を用いる
ことができる。即ち、複数イオン出口孔は、分解スリッ
トにおいて選定された質量のイオン種に対して単一の合
焦点像になる。

また、第46図ないし第50図について後で詳述するよう
に、イオン視準装置を用い、イオン源のイオンビームエ
ンベロープ内で発生してビーム質量分析手段に入り込ま
されるイオンを、実質的に、イオン分散平面と垂直な平
面内に在る仮想線源に向かってまたはそこから移動させ
るということを行なうならば、本発明のイオンオプティ
クスは複数の小さな孔源を単一線にまたは二次元領域に
延長して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。

ビームライン構成部材の一般的配置 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、該イオンビーム131はビーム質量
分析装置140に入る。イオン源装置130は、ビーム質量分
析装置140のイオン分散平面と平行な平面内のかなり区
域を含む付属のイオンビームエンベロープを有する。更
に、イオン源装置130は、上記イオン分散平面と垂直な
平面内に在る仮想線源について実質的にこれに向かって
またはこれから移動しておってビーム質量分析装置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、電磁石型ビーム質量分析装置を使
用する場合に、ビーム質量分析装置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
ような他のビーム質量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（Freeman）型プラズマ源、またはエーラーズ（Ehl
ers）ほか著の「多重光点イオン源の効率向上」（Incre
sasing the Efficiency of a Multicusp Ion Source）
（「レビュー・サイエンティフィック・インスルーメン
ツ」、59（３）1982年９月、pp1429〜1433）に記載され
ているような多磁極プラズマ源であってもよい。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或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、仮想線源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、仮想線源
はイオン源装置130の後ろにある。イオン源のイオン出
口孔が凸状でも凹状でもなく、第15図及び第16図におけ
るように直線状である場合には、仮想線源は無限大距離
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図の従来のものとの比較の便宜上、水平な平面内に配
置して示してあるが、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、イオンビームを質量分析磁極ギ
ャップ内へ垂直に導くようになっている。）第15図に示
すイオン打込み装置100は、ウェーハ処理装置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を発生す
るイオン源装置130を有する。電磁石装置のようなビー
ム質量分析装置140がイオンビーム131を受入れ、そして
該イオンビーム内の種々のイオン種を質量（即ち電荷対
質量比）に基づいて分離し、ビーム質量分析装置140か
ら出てゆく質量分析済みビーム131′を作る。

ビーム質量分析装置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散平面を有す
る。ビーム分解装置150が質量分析済みビーム131′の経
路内に配置されており、予め選定されたイオン種のみを
ターゲット素子である半導体ウェーハ171へ通過させ
る。第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30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、ビーム質量分析
装置140に対して、イオンビーム横断面の長辺131Aがビ
ーム質量分析装置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、イオン出口孔132を有する
イオン源手段を有する。イオン出口孔132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）
がイオン源装置の一部として用いられる。

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、イオン出口孔132からビーム質量分析
装置140のギャップ143へ向かって移動するにつれて発散
する。後でもっと詳細に説明するように、種々の磁気収
束装置を選択して、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、長方形状イオンビーム
131の長辺をビーム質量分析装置140のイオン分散平面と
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、狭い磁極ギャップd_iを用いること
ができる。

第15図は、直線状のイオン出口孔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。この場合は、イオン出口孔132から出てくるイオ
ンビーム131は真直ぐに移動してビーム質量分析装置140
に入る。第17図及び第18図は、弯曲しているイオン出口
孔により、ビーム質量分析装置140の磁極片の幅を対応
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、分解スリットを通過するビームの
収束角度を減少させる。弯曲したイオン出口孔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
内の仮想線源に収束する。

第15図に示すように、イオン源130によって発生するイ
オンビーム131は、ビーム質量分析装置140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ビー
ム質量分析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。ビーム分解装置150における質量
分析済みイオンビーム131′の像は、イオン源の幾何学
的構造で成るイオン源オプティクス装置の分解力及びビ
ーム質量分析装置140の分解力によって定まる分散平面
内の寸法を有する。ビーム分解装置150における質量分
析済みビーム131′の像の高さは、第16図に示すように
イオン出口孔132の投映物体136の有限高、及び分散平面
と垂直なビームの全体的発散度によって定まる。この発
散度は、質量分析磁石により、またはビーム質量分析装
置及び第21図に示す分離静電レンズ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、さもなければ
質量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によるイオンの損失
を減らし、また質量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、質量分析磁石に対する
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プ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提供される。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、細長いイオン出口孔を
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孔におけるプラズマメニスカ
スの曲率に応じて、イオン出口孔32に近接する実または
虚の線源形状を有する。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る。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
はイオン出口孔32に近接してその前面にある実の線源31
A′を作り、プラズマメニスカス31Bはイオン出口孔32に
近接してその後ろにある虚の線源31B′を作る。

第５図に示す従来の例においては、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、発散を減らすための静電的
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、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
の、質量分析磁石の磁極ギャップに入ってくるビームの
幅に対する影響を比較的小さくする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うことができる。

イオン源の形状及び電極構造体の変形例 細長いイオン出口孔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る。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
したイオン出口孔が磁極ギャップの大きさの減少を可能
ならしめる。しかし、分散平面内で発散するであろうイ
オンビームを静電的合焦させたとしても、磁極の入口部
分の幅は、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、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力を利用して第17
図に示すように質量分析磁石の磁極の幅をイオン出口孔
の幅よりも小さくする（即ち、イオンビームの幅が、イ
オン出口孔から出るときよりも磁極ギャップに入るとき
の方が狭くなる）と同時に第21図に示す如き静電的合焦
を使用して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ことができるという
利点がある。

このように、本発明の手法を用い、非分散平面内のビー
ム発散の静電的制御及び分散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
ン源対ビーム質量分析装置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出口孔及び電
極装置の形状を略示すものである。説明の都合上、イオ
ン源130を、凹状弯曲出口孔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、直線状出口孔または凸
状出口孔も用いることができる。第24図は、イオン出口
孔132の長辺がイオン分散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
口孔132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
が引出し電極137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。
イオン出口孔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とビーム質量分析装
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、従ってその正常の移
動路からそれることはないが、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、イオン出口孔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、電極構造体とビーム質
量分析装置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の事前質量分析加速電圧、及び
引出し電極137に加えられている−２ないし−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138とビーム質量分析装
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か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
種をビーム分解装置150の分解スリットに入り込ませる
可能性のある方向に移動しつつあるイオンを除去する。
ビームの縁は、かかる異常イオン経路が極めて生じ易い
場所である。異常イオン経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。

イオン出口孔の長辺、即ち長方形状イオンビームの長辺
をビーム質量分析装置のイオン分散平面と平行に向ける
ことにより、複数イオン出口孔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、分散平面と垂直な複数線源が分解スリット
の平面に複数線源を作るので、複数イオン出口孔を用い
ることができない。従って、選定されたイオン種の質量
分析済みビームをかかる装置において分解することはで
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出口
孔にすれば、複数のイオン出口孔を用いることができ
る。第26図に２つのイオン出口孔132A及び132Bを示す。
これら２つのイオン出口孔とともに、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
によって存在する。

第26図に示すように、２イオン出口孔形の配置の対称性
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イオン出口孔形の配置にお
いては、第26図に示す電極構造を用いたとすると、イオ
ン出口孔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137A、137B及び13
7Cを有する引出し電極構造137′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。この同じ配置を第26図の２イオン出口孔形イ
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137″と接地電極138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
てバイアス印加する。このバイアス印加によって収束レ
ンズが形成され、ビーム質量分析装置140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、別々の接地電極孔13
8A、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26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ビーム質量
分析装置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。これらの図は本質的に略
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個のイオン出口孔に限定されるものではなく、３個を
越えるイオン出口孔を用いることもできる。本発明のこ
の新規なイオンオプティクスを用いると、イオン源のイ
オンビーム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幅に延長し、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。

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、
即ち、イオン源が、実質的に、イオン分散平面と垂直な
平面内に在る仮想線源に向かってまたはそこから出てビ
ーム質量分析手段（例えばビーム質量分析装置140）に
入るイオンを発生するという原理を用いるものである。
第44図及び第45図に示す直線状前面壁のイオン源の場合
には、仮想線源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視準格子の配
置を適切に変更すれば、使用可能である。イオン源の前
面が凸状または凹状である場合には、仮想線源はイオン
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出口孔を
イオン源の前面壁に形成してもよい。この配置は第26図
ないし第28図に示す積重ね形の出口孔配置に類似してい
る。即ち、一般的に言うと、本発明の原理を実施すると
ビームライン装置は、ビーム質量分析装置140のイオン
分散平面と平行な平面内のかなりの区域を含むイオンビ
ームエンベロープを有するイオン源を有し、このイオン
ビームエンベロープは、上記イオン源とビーム質量分析
装置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25図に示す単一のイオ
ン出口孔の場合には、イオンビームエンベロープは単に
単一の長方形出口孔の面積である。明らかに解るよう
に、長方形出口孔の長辺はイオン分散平面と平行に向い
ているから、かかるイオンビーム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区域を有する。

第26図ないし第28図に示す複数長方形出口孔の場合に
は、イオンビームエンベロープは、別個の長方形出口孔
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
てイオンビームエンベロープを形成している長方形出口
孔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、上記イオンビームエンベロープは
上記イオン分散平面と平行な平面内にかなりの区域を有
している。

第49図及び第50図に示す個別イオン出口孔の配置につい
て説明すると、イオンビームエンベロープを破線長方形
132″及び132で、即ち個別外縁イオン出口孔を境界づけ
する幾何学的面積で示してある。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イオン出口孔の延
長列があるので、このイオンビーム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区域を有す
る。このようにすべき論理的理由はないが、適切な視準
装置を用い、もって、全体的イオン源装置が、イオン分
散平面と垂直な平面内に在る仮想線源について実質的に
これへ向かってまたはこれから移動してビーム質量分析
手段に入るイオンを発生するという条件を満足するよう
にするならば、複数出口孔の場合における個別イオン出
口孔の配列は不規則なイオンビーム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図に示す複数イオン出口孔装置は、単
一の長方形出口孔または複数の積み重ねた長方形出口孔
を用いたイオン源装置ほどの利点はない。しかし、これ
ら複数出口孔の実施例は本発明の他の多くの利点を有し
ている。即ち、これら実施例を用いると、イオンビーム
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、及びイオン源とビーム質量分析装置との間の領
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図に示す複数積重ねアレイ
のイオン出口孔は、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。小形化及びビーム質量分析装置の所要電力
の低減という他の全ての利点は上記複数出口孔形イオン
源をもって得られる。但し、減速電極138とビーム質量
分析装置140との間に視準装置139を設ける必要があるの
で、上記小形化の程度は若干減る。

なお、本件出願人は、本発明に関連して発明された複数
の発明について本願と同時に他の出願を行っており、本
発明はこれらの他の関連発明とあいまって優れた効果を
奏する。よって参考として、これらの関連発明の主要な
構成及び効果について以下説明する。

（関連発明の主要な構成） （ａ）電極バイアス印加装置 関連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、出口孔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或る電圧値にバイアス印加
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
速度をかなり低下させるために引出し電圧値に対して或
る電圧値にバイス印加されている。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
記イオンをビーム質量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ビーム
質量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、スパーク放電
（これは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、引き出されてビーム質量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、上記スパ
ークのエネルギーが制限され、そしてスパークが迅速に
消滅させられる。

（ｂ）イオン源 関連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、その一つの壁に長く伸びたイオン出口孔
を有し、且つ該イオン源室内に縦に配置された長く伸び
たフィラメント陰極を有している。上記フィラメント陰
極両端間に電流発生用電位差を与えて該陰極を加熱する
ためのバイアス印加装置が用いられ、且つ同時に、上記
室とフィラメント陰極との間にアーク発生用バイアスを
かけて上記室に導入された蒸気またはガスからイオンを
発生させるための手段が用いられる。イオン源の両端間
に通例見られる不均一なイオン発生特性を打ち消す不均
一な場の強さを有していて上記フィラメント陰極と平行
である磁界を適用するた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、複数の別々の陽
極部材が内部に取付けられているイオン源室を具備し、
上記陽極と上記室とは電気的に絶縁されている。上記別
々の陽極構造体に別々のバイアス電圧を印加して各陽極
構造体付近に発生す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、
イオンビームの幅を横切るイオン電流の質量分析及び制
御を行なってビーム均一性を改善することができる。

（ｃ）ビーム分解装置 関連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、分解スリット、及び上記ビ
ーム分解部材の一つを質量分析済みビームの経路内に選
択的に位置決めするための装置を有する。

複数のビーム分解部材を備えることにより、該部材の各
々を特定のイオン種の用に供し、他のイオン種からの汚
染を排除することができる。即ち、上記他のイオン種
は、分解部材の緑に沈着し、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量121及び質量123の両方のアンチモ
ンイオンビームを分解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。

（ｄ）イオン源作動方法 関連発明はまた、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、事前質量分析加速電圧を上記
イオン源に印加する段階と、上記イオン源からイオンを
引き出し且つ加速するために上記事前質量分析加速電圧
に対して或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の電極と質量分析磁石の入
口と間のイオン移動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或る値を有す
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
する。

好ましくは、上記事前質量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
階に、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。

（関連発明の主要な効果） 関連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
レンズから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、質量分析磁石に入ってゆくイオ
ン種の全体的速度を実質的に変えることなしに、スパー
クを極めて時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
ずるかなりのスパーク発生は、イオン源に事前質量分析
加速電圧を与える電源の電流発生能力がなくなってイオ
ンの有効加速電位が低下するときにのみ消滅させられ
る。スパーク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
染性のイオン種が分解スリットを通って合焦させられて
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
汚染性のイオン種はウェーハ上の良品装置の歩留りを低
下させる可能性がある。即ち、イオンビームがウェーハ
を走査する間に汚染性のイオンがウェーハに打ち込まれ
てウェーハの領域内に不良品装置が生ずる。

なお、関連発明の装置は、イオンビームに対して選択的
に位置決め可能な複数分解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。

（関連発明の実施例） 本発明の他の目的、特徴及び利点は、図面を参照して行
なう本発明に対する関連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。

従来のイオン源バイアス装置 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印加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＋40kVの事前加
速電圧にバイアス印加される。引出し電極37は、42kVの
総計引出し電位に対して−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−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。かかる
電子は、質量分析磁石40のギャップ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
ス印加装置は関連発明の改良されたイオンオプティクス
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源30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備えておってあ
らゆる電流値において電圧を4kVに保持しようとするこ
とを意味する。全てのイオン打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期間を通過して電源
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じ、また装置の実
働中に余り激しいスパーク放電の生じないようにする。
それにもかかわらず、実際の装置作動中には、スパーク
放電状態が時折り生ずる。

イオン源に＋40kVを与える安定した電源を用いてある
と、イオン源30と引出し電極37との間のスパーク放電
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、極めて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、上記安定した電源の
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、上記40kV電位が低下するにつれて、合計引出し電位
も低下し、イオンの合計事前質量分析加速電位が低下す
る。そのために、質量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
ンが分解スリットを通って上記タ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ターゲ
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があり、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質量分析磁石40に入ってくる
ビーム内のイオンの速度は40kV加速から生ずるものであ
り、この速度のビームを取扱うために質量分析磁石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
ップにおける磁束密度の観点から、質量分析磁石を大き
くしなければならない。磁束密度は飽和効果が生ずる前
の或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。

イオン源バイアス印加装置の改良 第30図は関連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、関連発明においては、イ
オン源130を、従来用いられている40ないし80kVよりも
実質的に低い事前質量分析加速電圧（＋20kV）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−30kV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、関連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み合わせ、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19
0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、ビーム質量分析装置140の飛行管に入
る前に、より平行な経路内に合焦させる傾向がある。

関連発明のこの特徴は、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−2kVまたは−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
を表すために用いてある。

第31図は、関連発明のこの同じイオン加速減速バイアス
印加原理が、イオンオプティクスの分解力を劣化させる
であろう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、電位差を小さく且つレンズ
を大きくすることによって可能となる。

第30図に示す関連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＋20kVの事前質量分
析加速電圧を与え、且つ非安定なまたは弱い電源から−
30kV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、電気ス
パークが遥かに弱くなり、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、関連発明の
バイアス及び電源装置の下でのスパーク発生状態は、引
出し電極上の電圧とは無関係に＋20kVの事前質量分析加
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、ビーム電流はスパー
ク発生状態の下で低下し、そして、弱いが急速に消滅す
るスアーク放電中にウェーハの小さな区域内のイオンの
ドーズ量に影響を及ぼすが、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スリッ
ト内に収束させられそしてそこからターゲットに入って
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、関連発明の新規なイオン源バイアス印加の
特徴は関連発明のイオンオプティ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、ビーム質量分析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。関連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幅を工場の1.83m（６フ
ィート）の二枚開き戸以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み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イオン
打込み装置についての他の多くの利点を、関連発明の原
理を用いて実現することができる。

質量分析磁極の形状の変形例 第32図ないし第34図に、イオンオプティクスとともに便
利に用いることのできるビーム質量分析装置140のいく
つかの特徴の細部及び関連発明の他の原理を示す。第33
図は、ビーム質量分析装置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の経路と垂直な線に対して、０°ないし45°
の範囲内の角度θだけ傾斜している。磁極片の前面のこ
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てくるビーム131に対して、第1
6図に示してある該ビームの発散の程度を減少させえる
作用をなす。

第32図に示すように、電磁石の磁極141及び142の内面14
1A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
ムが質量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数を減らし、
従って該磁石から出てゆく有効ビーム電流を増大させる
という利点を有する。

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せると、質量分析磁石ギャ
ップを通過して質量分析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、関連発明のイオンオプティクス装置に用いる
ことのできる他の改善例を示すものである。磁極の鉄片
141及び142を、電磁石の巻線147と148との間の内部磁極
面142A及び141Aの領域内に延長し、ビーム質量分析装置
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質量分析磁石がより早く作用し始め
るので、ビーム質量分析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、関連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、関連発明
の原理を極高電流装置に適用し、これにより、例えば表
面治金（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製作における新規
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、関連発明のイオンオプティクスを用いるこ
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
導体材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、VISI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。

関連発明の特殊な実施例 第35図ないし第41図に、関連発明の一般的原理を用いた
イオン源装置及びビーム質量分析装置の特殊な実施例を
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、ビーム質量分析装置24
0、ビーム幅制御装置290、及び真空ゲート弁装置300を
有する。

イオン源モジュール230は、内部にフィラメント230D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
源を有する。上記イオン源に対するバイアス及び動作電
位はバイアス接続線230Aによって与えられる。アーク室
230C内でイオン化されるべきガス状材料は、供給配管装
置230Bを通じて、またはイオン源組立体に内設の気化炉
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
適合させてある。

フリンジ電極236、引出し電極237及び接地または減速電
極238が、柱235D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ている。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235C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230F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230F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、電極281、別々の電磁石巻線282、及
び真空ポンプへ通ずる出入口の下でハウジング230Fの一
方の側を通る磁束戻りバーが283を有する。

ビーム質量分析装置240は、該ビーム質量分析装置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
る入口フリンジ電極241A′及び242A′を有する磁極片24
1及び242を有する。第36図に略示するように、フリンジ
磁極部材241A′及び242A′の入口面は傾斜しており、磁
極片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。

ビーム幅制御装置290を第35図、第39図及び第40図に示
す。電気ステップモータ291が親ねじ装置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295、296及び297を回転させ
る。ギヤ295及び297は軸295A及び297Aに取付けられてお
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297Bに設
けられている。軸295A及び297Aが回転すると、これに固
定されているページ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経路に入り込むことにより、ビーム
質量分析装置の真空室即ち飛行管234に入ってくるイオ
ンビームの幅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、最大幅の
ビームがビーム質量分析装置の真空室に入る。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、ビーム
質量分析装置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
流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、ビーム幅制御のために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幅の
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幅の変
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、上記ステップモー
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、フィラメント陰極230D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230Fの頂部孔
230F′を封止し、これにより、質量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301が、１対のアーム303によってスラ
イド式ゲート弁304に連結されている作動用レバー302を
作動させる。長方形状ガスケット305が、上記イオン源
ハウジングの上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30
6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せるように傾斜
している。ストップ装置308が上記真空ゲートの過大移
動を妨げ、該デートを、孔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ト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生させるようになっ
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。或
る程度までは、関連発明においては、イオン源の各側に
ある磁極281相互間の磁極ギャップ内に不均一磁界を発
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
ル即ち巻線282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。

フリーマン型イオン源の改良 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330から
イオン出口孔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字形陽極部材31
7を取り囲んでいる。フィラメント陰極315が個々の陽極
部材317の中央領域を通って延びている。第42図に示す
ように、別々の陽極部材317の各々は個別のバイアス印
加装置318を用いて別々にバイアス印加される。また、
フィラメント陰極315と上記個々の陽極部材との間に流
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陽極部材のバ
イアスを変化させ、上記個別の陽極部材の各々の領域に
おいてイオン出口孔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
ス印加及び個別の陽極部材の不均一な電気的バイアス印
加を組み合わせると、イオン出口孔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
源を関連発明に用いることもできる。例えば、前掲のエ
ーラーズほかの論文に示されているような多磁極型の適
当なイオン源を関連発明に用いることができる。

複数ビーム分解部材 第45図に、ビーム分解装置350を使用した関連発明の実
施例を示す。このビーム分解装置は複数のビーム分解部
材（以下、分解スリットと称する）351Aないし351Cを有
し、該分解スリット351Aないし351Cは適宜の位置決め手
段352を用いて質量分析済みビームの経路内に選択的に
位置決めすることが可能である。複数分解スリットを用
いることにより、イオン打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、各分解スリット
を一つの特定のイオン種に専用としてイオン種の相互汚
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、単一の分解スリットを用いる場合に
生ずる可能性があり、一つの種からのイオンはその前に
打込み処理において選定された前の種からのイオンを分
解スリットの縁からたたき出して、ターゲットを衝撃す
る最終イオンビーム内に入らせる。複数分解スリットの
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、アンチモンの両質量種を分解スリットを
通過させてターゲットウェーハを衝撃させるためには幅
の広い分解スリット（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
量種のいずれか一方または両方をも用いることができる
から、一方または他方の種を分解することに比べ両種を
用いることにより、ドーズ量従ってまたウェーハ処理量
を増大させることができる。

イオンビーム視準装置 関連発明にかかるイオンビームライン構成部材の配置に
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
オンがイオン出口孔から引き出されるときに有する可能
性のある瞬時的熱雑音のために個別イオン経路の方向が
変化することによって生ずる。熱雑音のための上記引き
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、ビーム質量分析
装置に入る直線イオン経路と垂直な速度成分を有するこ
ととなり、その結果、イオン経路はこの直線経路から若
干角度がかたよる。第46図に示すように、引き出し済み
イオンの瞬時的熱速度が、実質的に、まっすぐな通りの
イオン経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経路を持つイオ
ンを、イオン源130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視準装置139を用いることができ
る。

視準装置139は、減速即ち接地電極138とビーム質量分析
装置140の入口面との間に配置された一連りの個別視準
構造体139A、139B及び139Cを具備する。他の配置の視準
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視準機能を
なす。

第46図に示すように、経路131aのようなまっすぐなビー
ム経路を持つイオン視準格子装置をまっすぐに通過して
ビーム質量分析装置140に入る。経路131bのようなかた
よって経路を移動するイオンは、一般に、視準格子装置
139内の一つのバーにつき当り、従ってビーム質量分析
装置140に入ることができない。しかし、視準格子装置1
39が占めている体積があるので、131cのような直線イオ
ンビーム経路のうちの若干もまたビーム質量分析装置14
0に入ることを阻止される。その正味の結果として、第4
6図の装置はビーム質量分析装置140に入る全体的イオン
ビーム電流を減少させる。従って、イオンビームの視準
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のような視準装置を用い
た場合にビーム質量分析装置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孔から出てく
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、個別的イオン出口孔、例えば出口孔
132A及び132Bを有するイオン源130′を視準装置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、視準格子139A、139B及び139Cは、上記個別イオン出
口孔から出てくるビームがビーム質量分析装置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
口孔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、ビーム質量分析装
置に入るイオンビームから除去される。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、
即ち、イオン源が、実質的に、イオン分散平面と垂直な
平面内に或る仮想線源向かってまたはそこから出てビー
ム質量分析手段（例えばビーム質量分析装置140）に入
るイオンを発生するという原理を用いるものである。第
44図及び第45図に示す直線状前面壁のイオン源の場合に
は、仮想線源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視準格子の配置
を適切に変更すれば、使用可能である。イオン源の前面
が凸状または凹状である場合には、仮想線源はイオン源
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出口孔を
イオン源の前面壁に形成してもよい。この配置は第26図
ないし第28図に示す積重ね形の出口孔配置に類似してい
る。即ち、一般的に言うと、本発明の原理を実施すると
ビームライン装置は、ビーム質量分析装置140のイオン
分散平面と平行な平面内のかなりの区域を含むイオンビ
ームエンベロープを有するイオン源を有し、このイオン
ビームエンベロープは、上記イオン源とビーム質量分析
装置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25図に示す単一のイオ
ン出口孔の場合には、イオンビームエンベロープは単に
単一の長方形出口孔の面積である。明らかに解るよう
に、長方形出口孔の長辺はイオン分散平面と平行に向い
ているから、かかるイオンビーム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区域を有する。

第26図ないし第28図に示す複数長方形出口孔の場合に
は、イオンビームエンベロープは、別個の長方形出口孔
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
てイオンビームエンベロープを形成している長方形出口
孔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、上記イオンビームエンベロープは
上記イオン分散平面と平行な平面内にかなりの区域を有
している。

第49図及び第50図に示す個別イオン出口孔の配置につい
て説明すると、イオンビームエンベロープを破線長方形
132″及び132で、即ち個別外縁イオン出口孔を境界づけ
する幾何学的面積で示してある。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イオン出口孔の延
長列があるので、このイオンビーム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区域を有す
る。このようにすべき論理的理由はないが、適切な視準
装置を用い、もって、全体的イオン源装置が、イオン分
散平面と垂直な平面内に在る仮想線源について実質的に
これへ向かってまたはこれから移動してビーム質量分析
手段に入るイオンを発生するという条件を満足するよう
にするならば、複数出口孔の場合における個別イオン出
口孔の配列は不規則なイオンビーム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図に示す複数イオン出口孔装置は、単
一の長方形出口孔または複数の積み重ねた長方形出口孔
を用いたイオン源装置ほどの利点はない。しかし、これ
ら複数出口孔の実施例は本発明の他の多くの利点を有し
ている。即ち、これら実施例を用いると、イオンビーム
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、及びイオン源とビーム質量分析装置との間の領
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図に示す複数積重ねアレイ
のイオン出口孔は、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。小形化及びビーム質量分析装置の所要電力
の低減という他の全ての利点は上記複数出口孔形イオン
源をもって得られる。但し、減速電極138とビーム質量
分析装置140との間に視準装置139を設ける必要があるの
で、上記小形化の程度は若干減る。

第51図は、関連発明の好ましい実施例によるイオン打込
み装置のビームライン400の主要素を示している。この
ビームライン400は、イオン源装置410と、ビーム質量分
析装置420と、質量分解装置430と、分解されたイオンビ
ームをターゲット素子450に向って加速する後段階加速
装置440とを備えている。イオン源装置410は、イオン源
組立体411と、イオン源磁石組立体412と、イオンビーム
引出し（イオンビーム抽出）組立体413とを備えてい
る。ビーム質量分析装置420は、イオンビーム飛行管421
と、ビーム質量分析磁石組立体422とを備えている。質
量分解装置430は、真空ゲート弁431と、イオンドリフト
管432と、質量分解スリット組立体433とを備えている。
後段階加速装置440は、多数の構成をとることができ
る。

第51図に示したイオン打込み装置の種々のビームライン
構成要素は、イオン源磁石組立体412以外は、他の図面
を参照して以下に詳細に説明する。イオン源磁石組立体
412は、イオン源装置410にフリーマン形イオン源組立体
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412B
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412Cと、Ｕ字型の磁気戻りヨー
ク412Dとで構成され、このヨーク412Dは、イオン源装置
410の底部を経て戻り磁界を通す。

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、即ち、引出しイオンビームに平行な
磁界を発生してビーム質量分析装置420の磁界成分に相
互作用を及ぼすことはない。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、ビーム質量分析磁石組立体422
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。

換言すれば、フリー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陰極と整
列された磁極412A間の磁界がフィラメント陰極と実質的
に平行になって、陰極から放射された電子が陰極のまわ
りで螺旋状となり、イオン源内のガスを高い効率でイオ
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、イオンビーム引出し組立体413によって引出すこと
ができるイオンビームが相当に減少される。戻り磁路の
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量に形成し、引出すこ
とができる。

第52図は、イオン源装置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及びビーム引
出し組立体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461は発生されたイオンビームをこの上壁の上に取
り付けられた飛行管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ポート462
は、ハウジングを真空にするための真空ポンプ装置に連
通している。ハウジング460の底壁には、ビーム引出し
組立体413及びイオン源組立体411を受け入れるためのポ
ート463がある。ビーム引出し組立体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、各組立体は清掃及び保守を行うた
めに別々のユニットとして完全に取り外しできる。更
に、これら２つの組立体は、イオン源と引出し電極との
整列をチェックするために一緒に取り外すことができ
る。

ビーム引出し組立体413は、多数の図面を参照して以下
で詳細に説明する。然し乍ら、ここでは、ビーム引出し
組立体413が、個々のモジュール構成という点で、引出
し組立体のフランジ413Aを含んでいて、このフランジは
ハウジング460の底壁に取りつけられてこれに支持され
るが、ビーム引出し組立体の他の全ての部品、支持ベー
ス部材413B及び引出し・減速電極413Cを含む、は支持柱
装置413D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、引出し組立体のフランジ41
3Aを取り外した時には、これら部品全部をハウジング46
0から取り外すことができる。

同様に、イオン源組立体411は、一体的な単一モジュー
ルとしてハウジング460から取り外すことができ、これ
については、第52図ないし55図を参照して以下で詳細に
説明する。

イオン源組立体411の主たる要素は、イオン源組立体フ
ランジ471と、イオン源絶縁体472と、イオン源室支持装
置474と、イオン源ガス供給装置475と、イオン源の電気
バイアス装置であり、このバイアス装置は、フィラメン
トバイアス・電気供給装置476A及び476Bと、陽極電流供
給装置476C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、取り付けボルト（図示せず）を用
いて、ビーム引出し組立体のフランジ413Aに取り外し可
能に取り付けられる。イオン源のフランジ471は、取り
付けボルト・翼ナット装置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474は、第53図に示したようにペデスタル479に
取り付け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備えている。

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次型陽極481が支持されている。フィ
ラメント陰極482は、その両端がフィラメント支持体482
Aに配置されている。フィラメントクランプ483はフィラ
メント陰極482の各端にクランプされ、その各々はフィ
ラメントリード線484に接続されていて、このフィラメ
ントリード線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
ト陰極をイオン源組立体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線
487が個々の陽極481に接続されていて、第42図ないし第
44図に関連して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熱シールドフィン装置
488がイオン源の室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
供給装置475へ達しないように上記室に向かって反射す
る。

蒸気供給装置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、取り付けボルト・翼ナット
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489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
カートリッジヒータ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の前部プレート495は、イオン出
口孔496を備えており、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、イオンビーム引出し組立体413
を示しており、この組立体は、第59図及び60図に示され
たように、引出し組立体のフランジに支持されたビーム
制御翼組立体を備えている。

先ず、第56図ないし第58図を説明すれば、ビーム引出し
組立体のフランジ500には電極支持台501がのせられてい
る。この台は、整列支持装置502によってフランジ500に
支持されている。整列支持装置502は、円錐形の支持上
面を有する１対の支持ポスト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。カムホロワ装置504は、支持ポスト503にのせられた
引出し電極支持台501の傾斜を制御する。張力バネ505
は、その一端が、電極支持台501に固定された取り付け
ポスト506に接続されていると共に、その他端が、フラ
ンジ500に取り付けられた支持ポスト507に接続されてい
る。この構成により、カムホロワ504aはカム504Bに接触
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。このモータ制御式の電極支持台
傾斜機構により、ビーム引出し及び減速電極を、イオン
源のイオン出口孔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511及
び減速電極512と共に、端子電位にある。引出し電極支
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装置516に
よって絶縁材部分515が汚染粒子及び沈着物から遮断さ
れる。引出し電極517は、片持梁の形態で支持柱513の上
部に取り付けられる。これと同様に、減速電極512も、
片持梁の形態で支持柱511に取り付けられる。

フリンジ電極装置も同様に設けられており、フリンジ電
極支持柱518が支持台501に支持され、Ｕ字型のフリンジ
電極519が片持梁式の取り付け構成でこれに支持されて
いる。

引出し電極517は、一般的に長方形の孔517Bを含む厚い
中央部分517Aを備え、引出されたイオンビームは上記孔
517Bを通過する。同様に、減速電極512も、一般的に長
方形の孔512Bが形成された中央部分512Aを備え、イオン
源から引出されたイオンビームはこの孔を通過する。

引出し電極517及び減速電極512が片持梁式の取り付け構
成にされていることにより、全電極取り付け装置は開放
空間が広くなり、イオン源のイオン出口孔から流れ出す
ガスのポ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け装置で
は、引出し電極237を減速電極支持装置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。この遮断装置
は、第37図及び第38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付けられ、
従ってその領域の真空ポ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
ン出口孔から引出し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、ビームラ
インの他の構成要素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装置では、引
出し電極が片持梁形態でそれ自体の支持柱に別個に取り
付けられており、これら支持柱は、引出し及び減速電極
自体の付近に置かれていないシールド装置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
でのポ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
する真空ポンプ装置は、イオン源の前部プレートに設け
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、ビーム翼制御装置520につ
いて説明する。ビーム翼制御装置520は、個々の支持ア
ーム523、524の一端に取り付けられたビーム遮断翼素子
521、522を備え、支持アームの他端は第60図に示すよう
にシャフト525に取り付けられている。シャフト525はカ
ムアーム526も支持しており、このカムアーム526は、張
力バネ527により、カムホロワプレート529に支持された
カムホロワ528にのるように偏位される。カムホロワプ
レート529はガイドポスト530に沿って垂直方向に移動
し、電気モータ532によりベルト伝動装置533を介して付
勢される駆動ネジ装置531によって上下に駆動される。
１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翼521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、5
35の一方を作動することにより、他方のビーム制御翼を
カムホロワプレート及びカムアーム装置によって別個に
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。

ホロワプレート537には位置感知ポテンショメータ536が
支持されており、このポテンショメータは、駆動シャフ
ト531に支持されたギヤ素子539を含むギヤ装置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、イオン打込み装置の手動もしくはコ
ンピュータ制御式の作動制御装置に送られる。

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、これと共にカムホロワプレート529が動く。

このようにして、ビーム制御翼521及び522を用いて、質
量分析磁石組成体のビーム飛行管に入るビームの流れが
制御される。

ビーム翼制御装置520は、ビーム引出し組立体のフラン
ジ500に完全に取り付けられて支持されるので、ビーム
制御翼組立体及び引出し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御組立体520は、ビー
ム制御翼521及び522自体がビーム引出し電極装置の上の
高温領域に配置されているだけであるから、第35図及び
第36図の実施例を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
転式取り付けシャフト（真空シール525Aを含む）は、高
温のビーム引出し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装置と連通
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
ト弁装置は、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52図ないし
第59図に示した実施例では、翼521、522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
ュエータ装置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、ビーム質量分析装置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。ビーム質量分析磁石組立体で
は、電磁石が対称的に配置されているので、全組立体の
片側のみについて説明する。

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556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、質量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、即ち、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
焦点に収束される。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、両領域に焦点の合ったビ
ーム収束フリンジを形成する。

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、ビーム質量分析磁石組
立体422の半分が完成される。ビーム質量分析磁石のイ
オンビーム入口領域には入口分路装置560が設けられて
おり、これはフリンジ磁界領域562の付近に磁界のない
領域を形成する。この人口分路がないと、充分なフリン
ジ収束性能が得られない。ビーム質量分析装置のビーム
出口側でイオンのオプティクスを制御するという本質的
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が設けられている。

内部磁極の全体的な形状は、選択されたイオン種を分解
スリットに収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、関連発明の実施例による質量分
解装置430を示しており、この装置は１対のサイドフェ
ンス581と582との間に形成されたイオンドリフト領域58
0を有している。サンドフェンスは円筒状の端子電極583
内に取り付けられており、この端子電極は円筒カップ状
のエンドキャップ584を有している。端壁585には出口孔
586が形成されており、これを通して、選択されたイオ
ン種の収束イオンビームが分解スリット組立体587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、この分解スリット組立体587は、既に
述べた目的で複数の分解スリット挿入体589が取り付け
られた分解スリットフレーム588を備えている。第65図
に示したように、分解スリットフレーム588は、片持梁
式に揺動アーム590に取り付けられており、該揺動アー
ム590の他端は結合ブロック591に取り付けられ、次いで
この結合ブロック591は第69図に示された回転シャフト
装置に取り付けられている。冷媒管592及び593の平行装
置が揺動アーム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6
7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592及び593は、イオンビーム中の選
択されないイオンが当たるサイドフェンス581及び582も
冷却する。

第64図及び65図には、ファラデーカップ装置595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に取り付けられ、そしてこのアーム597は、ファラ
デーカップ596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に取り付けられる。イオンドリフト管領域の端には
抑制磁石装置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596がビーム内に配置された時に電子がファラデ
ーカップ596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装置610を
示している。この装置は、ビーム質量分析磁石組立体又
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ライト構成要素におい
て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、ドリフト管及び後段階加速装置に真空
状態を維持するように作動される。第68図及び第69図に
は、複数分解スリット組立体及びファラデーカップ組立
体のためのアクチュエータ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、アクチ
ュエータ620についてのみ詳細に示す。

ゲート弁装置610は、空気シリンダ611を備え、これはベ
ロー装置613を通して延びているシャフト612に接続され
ていて、ゲート弁ブロック614を駆動させる。このゲー
ト弁ブロック614はローラ615にのせられており、バネ付
勢式のカム機構617によって互いに接続されたブロック
下部614Aとブロック上部614Bとを有している。シャフト
612がスライド式のゲート弁ブロック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
き過ぎ移動にってカム機構617がブロック下部614A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、シャフト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・ポール
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へ冷媒流体を送る。光学式
の位置センサ626が設けられていて、実際のシャフト位
置、ひいては、複数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装置に送る。

第70図は、第52図及び第53図に示されたイオン源の前部
プレート495に設け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ている。ここに示
す特定の実施例では、前部プレート495は、厚みが約6mm
のグラファイトで形成される。イオン出口孔496の底496
Aは約5mmである。その長さは、大きい方の寸法で110mm
である。厚み約0.25mmの垂直方向の段により第１の垂直
壁部分496B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496Cが形成される。

5mm幅のイオン出口孔は、市場に出回っている公知の全
てのイオン打込み装置に用いられている１ないし3mm幅
の孔と対照的である。前記したように、イオン打込みの
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孔の
幅を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誰もが考えていた。本発明及び関連
発明の原理を用いて試作したイオン打込み装置は、第70
図に示した5mm幅の孔で首尾よく作動した。孔の幅の上
限は、ビーム質量分析装置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。イオン出口孔幅を限定す
る更に別の因子は、イオン出口孔幅を広くした場合にビ
ームの質を維持するために必要とされるビーム引出しギ
ャップ及び引き出し電圧の増加である。特に引出し電圧
を高くした場合にはスパーク発生の問題が多くなるの
で、或る点で実用限界に達する。

上記したビーム電流の数値（即ち、ホウ酸について28ミ
リアンペアそして砒素について67ミリアンペア）から容
易に明らかなように、単一出口孔装置に幅の広い出口孔
を使用した場合には（これは、出口孔の前方に単一のフ
ィラメント陰極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）、イオン打込み装置に顕著な
効果が得られる。高いビーム電流を取り出すためにこの
ような幅の広い出口孔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、本発明のイオンオプテ
ィクスでは、一般に、ビーム質量分析装置の磁極ギャッ
プを広げることが必要とされる。然し乍ら、磁極ギャッ
プを広げるというこの必要性は、ビーム質量分析装置の
入口側にフリンジ収束磁界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、磁極ギャップが65mm−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−の場合に得られたものである。この同じ
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12KV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、50mmの磁極ギャップを使用できる。

本発明及び関連発明による試作装置に用いられたビーム
質量分析装置は総重量が約１トンであり、これは公知の
オプティクスを用いたイオン打込み装置で同じビーム電
流性能を得るためにおそらく必要とされるであろうビー
ム質量分析装置の重量６ないし７トンと比べて対照的で
ある。ビーム質量分析装置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オプティクスに含まれ
た多数のファクタと、新規なイオン源及び引出し装置の
作動パラメータとによって得られる。本発明及び関連発
明の装置は、全体的にみれば、これと同等のビーム電流
の発生し始めることが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。

本発明及び関連発明によるイオン打込み装置のこの改良
されたビーム電流発生容量は、商業的に利用されるイオ
ン打込み装置の製造に今後大きな影響を与えることにな
ろう。本発明及び関連発明によるイオン打込み装置は、
公知形式のイオン打込み装置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、ビームラインのコスト
を大幅に増加せずに得られる。従って、イオン打込み
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、本発明及び関連発明の原理並
びに本発明及び関連発明全体を構成する種々の特徴を用
いたイオン打込み装置が市場に出れば、今後高密度の集
積回路を製造する装置に関連した全投下資本を節減する
ように大幅に貢献することになろう。

本発明及び関連発明の新規な技術は、典型的に７段又は
８段のイオン打込み工程−或るものはイオン打込み量が
少なくそして或るものはイオン打込み量が多い−を伴な
う高密度CMOS回路の製造に特に強い影響を与えると考え
られる。又、CMOS製造において必要とされる高イオン量
のホウ素の打込み、例えばイオン量が１平方センチメー
タ当たり10¹⁶個という打込みに特に大きな影響を与え
る。

公知のオプティクスについてのビーム電流の改善 公知の一般のイオンオプティクスを用いたイオン打込み
装置に関連発明の幾つかの特徴を組み込んで、実用的な
装置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オプティクスでは、イオ
ン出口孔32の寸法の長い部分が質量分析磁石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。引出しビーム電流を増加するために幅の
広いイオン出口孔（即ち、幅が4mm又は5mm）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。この変化だけでは、ビームの
大幅な発散を受け入れるように質量分析磁石の入口面の
幅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ことにならない。これは、或る状態
において特にイオン出口孔の幅を4mmまで広げただけの
場合に実用的なものとなる。

然し乍ら、幅の広いイオン出口孔を、第31図について説
明した関連発明の加速−減速特徴と組み合わせて用いた
場合には、（おそらく或る程度他の変更を入念に行うこ
とになる）、公知のオプティクスを用いた装置でも相当
に高い有効なイオンビーム電流を得ることができる。関
連発明の加速−減速特徴により、ビームを収束する円筒
レンズが形成され、これを用いて分散平面内でのイオン
ビームの発散を減少することができる。これにより、幅
の広いイオン出口孔からの大きなビーム発散を処理する
のに要する質量分析磁石の入口面の幅の増加量が減少さ
れる。更に、関連発明の加速−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、質量分析磁石の寸
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幅を増加でき
る。

更に、幅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、全イオン引出し面積はより大きくす
る）使用し、そしてイオン源を質量分析磁石に近づけ
て、磁石に入る全ビーム幅を減少することができる。幅
が広く長さが短いイオン出口孔（然し、ビーム引出し面
積はより大きい）、引出し電極及び減速電極による加速
−減速バイアス機構、及び幅の広い磁石入口面を完全に
組み合わせることにより、公知のイオンオプティクスで
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。

本発明及び関連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、イオン打込み装置の性能の改善に大き
く寄与する。本発明これら多くの特徴と関連発明の特徴
とを互いに共同させて用いると、装置設計の小形化、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。

以上、本発明及び関連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。

（発明の効果） 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せ、しかも装置の全体的大
きさを減少させることに寄与する。イオンビームエンベ
ロープの延長領域（例えば、実施例における長く伸びた
イオン出口孔）を、従来の装置における垂直の方向付け
に対して、質量分析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10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
る硼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幅広のイ
オン出口孔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ミリアンペア及び砒素の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、また関連発明の
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
イオン出口孔が湾曲しているかまたは直線状であるかと
は無関係に、イオン源を質量分析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、質量分析磁石に入
ってくるイオンビームの高さが減り、またイオン源と質
量分析磁石との間の領域において生じるイオン中性化が
減る。これにより、BF₃ガスからの硼素のようなガスで
与えられるイオン種で得られるビーム電流を高くするこ
とができる。関連発明の他の特徴を用いることにより、
質量分析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上記磁石に入る。
イオンビームの同じ湾曲角度をより小さい質量分析磁石
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。

本発明によれば、イオン源磁石の形状によってイオン分
散平面におけるプラズマメニスカスの形状の機械的制御
が行われ、従って、質量分析済みビームを分解スリット
内に収束させ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。

ここで、「プラズマメニスカス」とは、イオン源におい
て発生されそこに含まれるプラズマの、イオン出口孔に
おける境界のことである。メニスカスの形状は、多くの
要因により影響される。その要因には、イオン出口孔を
透過する電界、イオン源内の磁界及び電界並びにイオン
源のガス圧等がある。メニスカスの形状は、イオン源を
出る際の名イオンの軌跡すなわち経路を決定する。これ
らの軌跡は、そのメニスカス外の、すなわち焦点合わせ
された静電界及び磁界により変えられる。従って、メニ
スカス形状の制御はイオンビームの制御の一つの特徴で
ある。

本発明においては、イオン源および磁石はそのプラズマ
メニスカスが収束に影響を与えないような形状に設計さ
れている。プラズマメニスカスの機械的制御とは、イオ
ン源及び磁石の幾何学的形状がイオン源及び磁石の機械
的な構造および配置の関数である、ということを意味し
ている。

本発明のイオン源の分散平面の形状により、イオン出口
孔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・質量分析磁石構造内で及び質量分析磁石
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孔の有
用性が解明されたが、かかる広いスリットからのイオン
ビームはより大きく発散し易い。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。

【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図は従来のイオン打込み装置に用いられているイオ
ンビームオプティクスの斜視図、 第６図ないし第10図の従来の装置に用いられているイオ
ンビームオプティクスの原理を説明するための略図、 第11図ないし第13図は従来のイオンビームオプティクス
の原理の変形を示すイオンビームオプティクスの例の略
図、 第14図は関連発明にかかるイオン打込み装置及び方法に
用いるイオンビームオプティクスの概略的斜視図、 第15図は半導体処理に適用した関連発明の実施例のイオ
ンビームオプティクスを概略的に示す斜視図、 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
ティ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み装置に一般に用いられてい
るイオン源バイアス印加装置の略図、 第30図及び第31図は関連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図は関連発明にかかるイオンビームラ
インの構成部材の種々の構造的細部を示す略図、 第35図は関連発明の実施例におけるイオン源及びビーム
質量分析装置の一部縦断側面図、 第36図は関連発明の実施例におけるイオン源及びビーム
質量分析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38−38線に沿う電極組立体の一部縦断
面図、 第39図は第36図の39−39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関連発明に
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図は関連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図、 第45図は関連発明にかかる複数分解スリット装置の斜視
図、 第46図ないし第50図は本発明にかかるイオンビームオプ
ティ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、 第51図は、関連発明によるイオン打込み装置のビームラ
イン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引
出し電極系より成る関連発明のイオン源装置を示す部分
断面側面図、 第53図は、関連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54−54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、イオン引出し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、関連発明によるビーム制御翼装置の側面図、 第60図は、第59図のビーム制御翼装置を60−60線に沿っ
てみた部分断面図、 第61図は、第62図の61−61線に沿ってみたビーム質量分
析磁石組立体の前面部分断面図、 第62図は、第61図の62−62線に沿ってみたビーム質量分
析磁石組立体の断面図、 第63図は、第62図のビーム質量分析磁石組立体を63−63
線に沿ってみた部分断面図、 第64図は、関連発明による質量分解装置及び後段階加速
装置を示す部分断面側面図、 第65図は、関連発明による質量分解装置の上面図、 第66図は、第65図の66−66線に沿ってみた関連発明の質
量分解装置の端面図、 第67図は、第65図の67−67線に沿ってみた関連発明の質
量分解装置を示す別の部分断面端面図、 第68図及び第69図は、関連発明による質量分解装置のゲ
ート弁組立体と、質量分解装置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、関連発明の好ましい実施例によるイオン源出
口孔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
化物領域、18…活性領域、19…シリコンゲート領域、21
…ソース領域、22…ドレイン領域、25…引出し電極組立
体、30…イオン源、32…イオン出口孔、32A…湾曲イオ
ン出口孔、36…収束グリッド、37…引出し電極、38…接
地電極、40…質量分析磁石、48…ベーン装置、50…分解
スリット装置、51…分解スリット、60…後段加速装置、
70…ウェーハ処理装置、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
口孔、132″…湾曲イオン出口孔、137…引出し電極、13
8…接地電極、139…視準装置、140…ビーム質量分析装
置、143…ギャップ、147、148…電磁巻線、150…ビーム
分解装置、170…ウェーハ処理装置、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、230…イオン
源モジュール、235…イオンビーム電極モジュール、235
A…基板、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、291…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、30
2…作動用レバー、304…スライド式ゲート弁、305…長
方形状ガスケット、308…ストップ装置、315…フィラメ
ント陰極、316…誘電体スペーサ、318…バイアス装置、
319…計器、330…イオン源、332…イオン出口孔、350…
ビーム分解装置、230F…イオン源、400…ビームライ
ン、410…イオン源装置、411…イオン源組立体、412…
イオン源の磁石組立体、413…イオンビーム引出し組立
体、420…ビーム質量分析装置、421…イオンビーム飛行
管、422…ビーム質量分析磁石組立体、430…質量分解装
置、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…後段階加速装置、450
…ターゲット素子、460…イオン源ハウジング、461…
孔、462…真空ポンプポート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−64373（ＪＰ，Ａ) 米国特許3122631（ＵＳ，Ａ)

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】イオン出口孔を通してイオンビームを発生
   するイオン源から成るイオン源手段を有し、前記イオン
   ビームを受け取って電荷対質量比に基づいてイオンビー
   ム中の各種イオンに選択的に分離してビーム出口におい
   て質量分析されたビームを発生するビーム質量分析手段
   を有し、該ビーム質量分析手段はそれと関連するイオン
   分散平面を有し、質量分析されたビームの通路に配置さ
   れ、所定の種類のイオンを前記ターゲット素子へ向かっ
   て通過させるビーム分解手段を有するターゲット素子に
   イオンを打込む装置において、 前記イオン出口孔は、前記イオン分散平面に対し平行な
   方向に湾曲し且つほぼ長方形の形状と前記イオン分散平
   面に対し平行な長辺を持つスリットから成り、 前記イオン源は、該イオン源と前記ビーム質量分析手段
   との間の領域全体にわたって前記イオン分散平面に平行
   な面内にかなりの範囲の区域を維持するイオンビームを
   発生し、前記イオン源から前記ビーム質量分析手段に入
   るイオンは、前記スリットの形状により規制される前記
   イオン分散平面に垂直な平面内にある仮想線源に向かっ
   て又はそこから出ていくように移動する、 ことを特徴とするイオン打込み装置。
2. 【請求項２】前記イオン出口孔は、複数のスリットから
   成り、各スリットはほぼ長方形の形状を有し、その長辺
   は前記イオン分散平面にほぼ平行であり、各スリットか
   ら引き出されたリボン状イオンビームは前記イオン分散
   平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。
3. 【請求項３】イオン出口孔を通してイオンビームを発生
   するイオン源から成るイオン源手段を有し、前記イオン
   ビームを受け取って電荷対質量比に基づいてイオンビー
   ム中の各種イオンに選択的に分離してビーム出口におい
   て質量分析されたビームを発生するビーム質量分析手段
   を有し、該ビーム質量分析手段はそれと関連するイオン
   分散平面を有し、質量分析されたビームの通路に配置さ
   れ、所定の種類のイオンを前記ターゲット素子へ向かっ
   て通過させるビーム分解手段を有するターゲット素子に
   イオンを打込む装置において、 前記イオン出口孔は、前記イオン分散平面に対し平行な
   方向に湾曲するようにイオン源のアーク室の前部プレー
   トに設けられ且つほぼ長方形の形状と前記イオン分散平
   面に対し平行な長辺と３ミリメートルよりかなり大きな
   幅を持つスリットから成り、 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、 前記イオン源は、該イオン源と前記ビーム質量分析手段
   との間の領域全体にわたって前記イオン分散平面に平行
   な面内にかなりの範囲の区域を維持するイオンビームを
   発生し、前記イオン源から前記ビーム質量分析手段に入
   るイオンは、前記スリットの形状により規制される前記
   イオン分散平面に垂直な平面内にある仮想線源に向かっ
   て又はそこから出ていくように移動する、 ことを特徴とするイオン打込み装置。
4. 【請求項４】所定の種類のイオンより成るイオン打込み
   用大電流イオンビームを発生する方法において、 電荷対質量比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、関連するイオン分散平面を
   有するイオンビーム質量分析磁界を形成し、 イオン源でイオンビームを発生し、該イオンビームが前
   記イオンビーム質量分析磁界に入る前記イオンビームの
   移動領域全体にわたって前記イオン分散平面に平行な平
   面内にかなりの範囲の区域を維持するイオンビームエン
   ベロープを有するように、前記イオンビームを、前記イ
   オン分散平面に対し平行な方向に湾曲し且つほぼ長方形
   の形状と前記イオン分散平面に対し平行な長辺を持つス
   リットを通して前記イオンビーム質量分析磁界に向け、 前記イオンビーム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、 ことから成るイオン打込み用大電流イオンビーム発生方
   法。