JPH031374B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はイオン源に係り、特に、半導体ドー
プ用液体金属イオン源用合金に関する。

高輝度イオン源とは実質的な大きさが小さく、
高電流密度でイオンを放出するイオン源のことで
ある。イオンビームをミクロメートル未満の大き
さに集束させるために必要な高輝度を提供する電
界イオン化源には２のタイプがある。ガス電界イ
オン（GFI）源と液体金属（LM）イオン源とで
ある。この２つのイオン源は原子をイオン化領域
に供給するための機構が異なる。1950年代初期に
開発された電界放出顕微鏡におけるイオン源は、
非常に鋭いミクロメートル未満の半径の点の極近
傍におけるガス電界イオン化に基づいている。こ
のGFI源は実質上のイオン源の大きさが非常に小
さく、典型的には100Å未満である。このイオン
の源は２，３ミクロメートルＨｇの圧力下におけ
るガスであるので、イオン化に用いられる原子の
数は小さな針の近傍への原子の到達率によつて制
限される。また、最大ガス圧はガスの電気的破壊
によつて制限される。イオン化は非常に小さな表
面上またはその近傍で生じ、該表面は非常に高い
電界（約1V／Å）と非常に高い機械的応力に供
されるので、このタイプのイオン源は汚染質と該
針点を鈍化させるスパツタ効果とに対して非常に
敏感である。

高輝度イオン源における最近の飛躍は米国特許
第4088919号に示されているLMタイプの電界イ
オン化源の開発であつた。このイオン源において
は、比較的鈍い針がアルカリ金属のような液体金
属の層によつて覆われている。強電界をかけると
液体金属が尖点（cusp）を形成し、この尖点が
イオン源の放出点となつてリチウムのようなアル
カリイオンを放出する。このLMイオン源の顕著
な利点はその静電的に形成された点であり、これ
は汚染質と固体金属点を鈍化させる効果とに対し
て比較的不感性である。このイオン源はまた比較
敵高い電流を発生するということに対しても注目
に値する。

その他の液体金属系源が米国特許第3579011号
（ここでは、液体金属として水銀が用いられてい
る）、および米国特許第3475636号（ここには、プ
ール保持機構を有し、かつ液体金属を該プール保
持構造に供給するための通路を備えた強制流重力
依存液体金属アークカソードが開示されている）
に記載されている。これら２つの特許はイオンス
ラスターの分野に有用であると記載されている。
米国特許第347536号には、水銀、ガリウムおよび
セシウムを液体金属アークカソード内に用いるこ
とが開示されている。しかしながら、これら特許
文献は全て電子源を開示するものであつてイオン
源を開示するものではない。

多イオン種の発生または−イオン種の発生のい
ずれかを要する分野があり、その元素は液体状態
において高蒸気圧を持つので上記の系に用いるに
は適当でない。

液体に対する要求はLM源にとつて基本的なこ
とである。イオン化されるべき物質は液体でなけ
ればならず、また液体状態においてある程度低い
蒸気圧を持たなくてはならない。LM源から原子
が過剰に熱蒸発すると、系を汚染し、該源を涸渇
させることになりがちである。

この発明においては、改良された液体金属系イ
オン源が提供される。この発明のイオン源は液体
状態の合金を有するイオン放出体を支持するため
のアノード電極を備えている。この電極は電界の
影響下で少なくとも１つの液体金属尖点が形成さ
れるように端部を持つている。このイオン源はさ
らにイオン化電界を発生させるための手段及び該
イオン源によつてそのイオンが放出されるべき液
体金属の貯部を備えている。

この発明に係るイオン源は、半導体ドーパント
用のものであり、上記液体状態の合金としてPd
−Ni−As−Ｂ合金を用いたものである。この合
金は、ホウ素およびヒ素を同時に発生させるにあ
たつて好適である。すなわち、同一の合金からｎ
型ドーパントとしてのAsおよびｐ型ドーパント
としてのＢを取り出すことができる。これらドー
パントは、同時に供給することもできるし、また
は与えられた時間で装置がただ一種のイオン種を
透過させるように物質分離（mass separation）
を調節することによつて連続的に供給することも
できる。

この合金はAsおよびＢの合計量が10乃至30原
子％、残部がPdおよびNiであることが好ましい。
このような合金としてPd₄₀Ni₄₀As₁₀B₁₀が好適で
ある。

この発明のイオン源は、半導体超微小回路を作
成するための集束イオンビーム技術に適用するこ
とができる。簡単にいうと、この技術はマスクを
用いないでトランジスターや集積回路を直接書き
込む作成技術であつて、集束イオンビーム注入、
超微小加工およびレジスト露出を十分に高い解像
度（例えば、1000ないし5000Å）で行う技術を含
む。液体金属イオン源はイオンビームをミクロメ
ートル以下の点に集束するために要求される高輝
度および実質上のイオン源の小さいことを提供す
るのに好適であることが知られている。

集束イオンビーム微小作成技術はミクロメート
ル以下のトランジスターの作成の要件に合致する
一つの方法である。この技術はドーパントを正確
に、繰り返し可能に添加すること、およびウエツ
トプロセスの数をかなり減少させることに有用で
ある。この技術によつて半導体のドープおよびイ
オンミリング（milling）ができるので、トラン
ジスターの作成が大幅に簡略化され、また生産の
再現性および収率が改善されることとなる。集束
イオンビーム微小作製技術によつて、さらに進ん
だデバイスを技術的なおよび価格的な点で開発す
ることが容易となる。

集束イオンビーム微小作製装置の基本構造を第
１図ないし第３図に示す。液体金属イオン源は荷
電粒子のビームを発生し、このビームはレンズま
たはレンズ系によつて集束される。この集束され
たビームは偏向装置によつて半導体ウエハを横切
つて走査され、トランジスターまたは超微小回路
を直接書き込む。この発明においては、イオンビ
ーム種が半導体ドーパントとしてのホウ素および
ヒ素であるから、当該基板の結晶格子中に該ドー
パントイオンを直接注入することによつて、正お
よび負電荷キヤリヤのプレーナー導電領域が形成
できる。この新しい方法は、回路を複数のマスク
加工工程によつて規定し、ついで幅広いイオンビ
ームによる注入または拡散によつてドーパントを
高温度でマスクを介して添加する従来の作製技術
とは対照的なものである。

第１図および第２図に示す液体金属系イオン源
１０は液体金属層１２によつて覆われた比較的鈍
い針（アノード電極）を備えている。強い電場を
図示しない手段によつてかけることによつて、液
体金属は、第２図（これは第１図の部分の拡大図
である）に示すように、尖点１３を形成する。こ
の尖点はイオン源の放出点であり、液体金属から
イオンを放出する。このイオン源は比較的高い電
流を発生でき、静電的に形成された点であつてガ
ス電界イオン源において用いられているような固
体金属点を鈍化させる効果や汚染に対して比較的
不感性であるものを得られるという利点を有す
る。液体金属の貯部１４が設けられており、液体
金属は加熱装置によつてその融点よりもやや高い
温度に保持されている。加熱装置１５は装置１６
（第３図）によつて制御されている。熱遮断部材
（図示せず）によつて全体が取囲まれている。接
地されていてもいなくてもよい取出し電極１７が
設けられており、イオン源からイオンを取出し、
また電圧手段１８によつて制御されている。

アノード電極１１は固体の鈍い針、キヤピラ
リ、ナイフエツジまたはスリツトあるいはこれら
の配列の形態に形成することができる。取出し電
極１７は放出されたイオンを通すように適宜改変
できる。多重放出源の例が米国特許第4088919号
に記載されている。

第３図に示すように、イオンはビーム１９とし
て放出される。イオン源１０は第１図および第２
図と同じ部材を備えているが、その形態が異な
る。このイオンビームはこれを集束しまたは不所
望の種を除去するように種々の方法で処理でき
る。一例として第３図に示すように、イオンビー
ムはアパチヤー２０によつて規定されてイオンビ
ーム２１を形成し、電圧手段２３によつて制御さ
れた加速レンズ電極２２を通過し静電偏向電極２
４を通り、そこで該イオンビームが成形され、タ
ーゲツト２５の表を横切つて走査するように移動
される。

イオンビームを提供するための第３図に示すよ
うな装置は例えば取出し電極の後段に物質分離機
構を設けることによつて変更できる。これによつ
てイオンビームの物質分離例えば多種のイオンビ
ームのうち一種のイオン種のみをターゲツト上に
到達させることが可能となる。また、これによつ
て多種イオン種源から放出されたイオン種の割合
を測定することが可能となる。

この発明において液体金属系イオン源に用いら
れるPd−Ni−As−Ｂ合金は、液体状態において
単相として存在するので、予測される放出をおこ
ない得る。もし、合金が非混和性合金であれば予
測される放出をおこなわない。

金属系ガラス技術の分野からよく知られるよう
に、遷移金属−メタロイド合金は所定の濃度範囲
で深い共晶合金を形成し、従つて各成分元素単独
よりもかなり低い融点を示す。上記Pd−Ni−As
−Ｂ合金は、このような遷移金属−メタロイド合
金に属するため、このような性質を有している。
高温は高蒸気圧をもたらすので、このような低融
点合金は液体金属系イオン源に有用である。従来
の液体金属系イオン源にホウ素を用いることの基
本的な困難性はホウ素の融点が高い（2200℃）こ
とであるが、上述のような共晶合金であればこの
ような困難性が解消される。

深い共晶合金はまた、その最も高い蒸気圧を持
つ成分元素よりもかなり低い蒸気圧を持ち、従つ
て高い蒸気圧を持つ種を電界イオン化することに
まつわる問題が回避される。ヒ素はその融点の約
820℃において高い蒸気圧を持つので、ヒ素を用
いた液体金属イオン源を実現することは困難であ
るが、この高蒸気圧は上記合金を用いることによ
つて強く抑制され、操作温度800℃においてヒ素
の損失は認められなかつた。

すなわち、上記合金を液体金属系イオン源に用
いることにより、従来液体金属系イオン源では取
出すことが困難であつたホウ素およびヒ素を同一
の合金から取出すことができるという大きな効果
を得ることができる。これらホウ素およびヒ素は
半導体素子にイオン注入される典型的なイオン種
である。

この発明の合金は各成分の粉末を所要の割合で
混合し、圧縮し、還元雰囲気中で融点以上の温度
で均一となるまで焼成することによつて都合よく
製造できる。各成分の純度は通常のコマーシヤル
ベースのものでよい。４つのイオン種のうち所望
種であるホウ素よびヒ素の質量と不所望種である
パラジウムおよびニツケルの質量とはかなり異な
つている。そのためターゲツトに向けて所望イオ
ン種のみを通じさせるために弱い物質分離
（mass separation）を用いることができる。合
金の好ましい組成範囲はホウ素およびヒ素が約10
ないし30原子％、残部パラジウムおよびニツケル
であり、特に実質的にPd₄₀Ni₄₀As₁₀B₁₀で表され
る合金が好適である。

実施例 この発明の範囲内のPd₄₀Ni₄₀As₁₀B₁₀合金の製
造に先立つて、Pd₄₀Ni₄₀B₂₀合金を製造した。
Pd₄₀Ni₄₀As₁₀B₁₀合金はこの合金のホウ素の一部
をヒ素に置換したものである。先ず各元素の粉末
（200メツシユ）を次の割合（重量％）で混合し
た。パラジウム62.4％、ニツケル34.4％およびホ
ウ素3.2％。この混合粉末を少なくとも約50kpsi
でプレスして約100mgの各ペレツトを得た。この
ペレツトを水素炉中で５分間、1000℃で焼成し
た。焼成後、ペレツトは実質的に球状の金属球と
なり、実質的に均一な組成を持つていた。このペ
レツトは小片に破砕し、または溶融しおよびよく
知られたスプラツト（splat）冷却法を用いて銅
かな床上でスプラツト冷却することによつて箔と
することができた。

Pd₄₀Ni₄₀As₁₀B₁₀合金の製造にあたつては、パ
ラジウム57.0％、ニツケル31.5％、ホウ素1.5％を
粉末状態で上述した方法と同様の方法で混合し、
同様にペレツト化し、焼成した。なお、この状態
ではペレツト中にAsは含まれておらず、ペレツ
トはPd−Ni−Ｂ合金である。次いで、酸化を最
小限に抑えるべく超純粋なチヤンクの形態にある
ヒ素（10.0％）を上記焼成ペレツトとともに小さ
な石英アンプル内に入れた。このアンプルを荒引
きポンプで排気し、ヒ素を熱しないように注意し
ながら火炎で封止した。この封止アンプルを温度
制御オーブンに入れ、ヒ素が溶解するまで750な
いし775℃に約10分間熱した。次いで、このアン
プルを室温に冷却し、開封した。これにより
Pd₄₀Ni₄₀As₁₀B₁₀合金ペレツトが得られた。この
ペレツトは光沢のある球であり、液体金属系イオ
ン源に設置するためにより小さな片に破砕でき
た。

次に、このように製造した合金の液体金属系イ
オン源への適用について説明する。

ホウ素は2200℃という非常に高い融点を持つ元
素であり、これを液体金属系イオン源に適用する
に際して、支持針構造と適合する温度で液体であ
ることが要求されるが、ホウ素を成分とする共晶
合金を形成することにより融点を下げることがで
きる。参考までに上述のPd₄₀Ni₄₀B₂₀合金につい
てみると融点は約675℃に低下する。この合金を
レニウム針およびＥ×Ｂ物質分離を用いた第３図
に概略的に示した装置と同様の液体金属系イオン
源に用いた場合、数時間に亘つてかなり安定な取
出しイオン電流（13kVで10μA）が観察された。
放出された質量スペクトルを第４図に示す。これ
はターゲツト電流（ナノアンペア）とＥ×Ｂ偏向
電圧とをプロツトしたものである。二つのホウ素
のピークの合計は大ざつぱについて予測された放
出ホウ素２０原子％に相当してしている。

一方、ヒ素は昇温下で蒸発速度が高いから、液
状のヒ素は入手できない。ヒ素はその融点820℃
で20気圧以上の蒸気圧を有する。この蒸気圧は真
空中において使用するに好適な液状合金を作るた
めに10⁹以上のフアクター分減少させなければな
らない。

この蒸気圧の減少は化学結合によつて高温下で
のヒ素の気化を強く抑制することができる合金を
選定することによつて達成できる。上記の
Pd₄₀Ni₄₀As₁₀B₁₀合金はこのような条件を満足す
る。

上述のようにPd−Ni−Ｂ合金のホウ素の一部
をヒ素に置き換えてPd₄₀Ni₄₀As₁₀B₁₀合金を製造
し、液体金属系イオン源に適用した。この際に、
この合金を炭化タングステン針およびＥ×Ｂ物質
分離を用いた第３図に示す装置と同様の装置に用
いた。

10kVおよび12ないし15μAでのイオン放出は数
時間安定であつた。放出イオンの質量スペクトル
を第５図に示す。これは縦軸にターゲツトの電流
（ナノアンペア）を、そして横軸にＥ×Ｂ偏向電
極をプロツトしたものであり、単一荷電ヒ素およ
び二重荷電ヒ素が大ざつぱにいつて同量（As⁺⁺
のピークは２つに分ける必要がある。コレクタは
毎秒当りの電荷すなわち電流を測定しているから
である）発生していることを示している。この合
金の注目すべき点は、ホウ素およびヒ素イオンを
一つの合金から発生させることができるというこ
とである。ホウ素はその原子分率から予測される
よりも少ない量で発生しているが、これは二つの
イオン種を発生するための合金の使用とは関係の
ない挾雑因子によつて生じたものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は液体金属系電界イオン源を示す図、第
２図は第１図の部分拡大図、第３図は液体金属イ
オン源を用いた走査イオンプローブのダイヤグラ
ム、第４図はPd₄₀Ni₄₀B₂₀合金から放出されたイ
オンの質量スペクトル、および第５図は
Pd₄₀Ni₄₀As₁₀B₁₀合金から放出されたイオンの質
量スペクトルである。 １１……アノード電極、１２……液体金属層、
１３……尖点、１４……貯部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (a) 液体状態の合金を有するイオン放出体を
   支持するためのアノード電極であつて、電界の影
   響下に液体金属の少なくとも１つの尖点が形成さ
   れるように端部を有するもの、(b) イオン化電界
   を発生させるための手段、および(c) イオンが放
   出されるべき該液体金属のための貯部を具備し、
   該合金は、Pd−Ni−As−Ｂ合金であることを特
   徴とする半導体ドープ用イオン源。 ２ 前記合金はAsおよびＢの合計量が10乃至30
   原子％、残部がPdおよびNiであることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の半導体ドープ
   用イオン源。 ３ 前記合金はPd₄₀Ni₄₀As₁₀B₁₀であることを特
   徴とする特許請求の範囲第２項に記載の半導体ド
   ープ用イオン源。 ４ 選択されたイオン種の打撃によつて半導体物
   質の性質を改変する方法であつて、半導体物質
   を、Pd−Ni−As−Ｂ合金を半導体ドープ用液体
   金属として用いる半導体ドープ用液体金属系イオ
   ン源から発生したイオンビームにさらすことを特
   徴とする半導体物質の性質を改変する方法。 ５ 前記合金はAsおよびＢの合計量が10乃至30
   原子％、残部がPdおよびNiであることを特徴と
   する特許請求の範囲第４項に記載の半導体物質の
   性質を改変する方法。 ６ 前記合金はPd₄₀Ni₄₀As₁₀B₁₀であることを特
   徴とする特許請求の範囲５に記載の半導体物質の
   性質の改変方法。