JPH01211848A - Method and apparatus for ion implantation - Google Patents
Method and apparatus for ion implantationInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
この発明は、半導体素子製造におけるマイクロビームに
よるイオン注入方法およびイオン注入装置に関するもの
である。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to an ion implantation method and an ion implantation apparatus using a microbeam in semiconductor device manufacturing.
（従来の技術）
半導体素子の高集積化に伴い、パターン幅がサブミクロ
ンに狭まる傾向にある。マイクロイオンビーム技術はサ
ブミクロンドライプロセス、例えばイオンビームリソグ
ラフィ、マスクレスイオン打込み、イオンビーム微細加
工などに応用される技術であり、現在その開発研究が通
入に行われている。(Prior Art) As semiconductor devices become more highly integrated, pattern widths tend to narrow to submicrons. Micro ion beam technology is a technology applied to submicron dry processes, such as ion beam lithography, maskless ion implantation, and ion beam microfabrication, and its development research is currently being carried out.
マイクロイオンビームを得るためには、所望のイオン種
を放出する高輝度のイオン源が必要とされろ。そのため
に、シリコン新デバイスに関する調査研究報告書Ｋ （
５９−Ｍ−２２２）昭和５９年３月社団法人日本電子工
業振興協会Ｐ １３４−１４１に開示されろ液体金属イ
オン源（Ｌｉｑｕｉｄ ＭｅｔａｌＩｏｎ ５ｏｕｒｃ
ｅ； ＬＭＩＳ）や電界電離イオン源が開発されている
。To obtain a micro-ion beam, a high-intensity ion source emitting the desired ion species would be required. To that end, we have published a research report on new silicon devices (
59-M-222) Liquid Metal Ion Source (Liquid MetalIon 5ourc) disclosed in March 1980, Japan Electronics Industry Promotion Association P 134-141
e; LMIS) and field ion sources have been developed.
上記のイオン源は集束イオンビーム（ＦｏｃｕｓｅｄＴ
ｏｎ Ｂｅ、ａｍＨ以下ＦＩＢという）装置に搭載し、
ＦＩＢ装置内のコンデンサレンズ、ウィーンフィルター
型質量分析器、対物レンズ、ビーム走査系等を経て、目
的とされるイオン種を集束させて注入することができる
。The above ion source is a focused ion beam (FocusedT
on Be, amH (hereinafter referred to as FIB) equipment,
Targeted ion species can be focused and injected through a condenser lens, a Wien filter mass spectrometer, an objective lens, a beam scanning system, etc. within the FIB device.
（発明が解決しようとする課！り
しかしながら、上記構成のＦＩＢ装置を用いても、放出
したイオンの空間電荷効果によりそのエネルギー幅が数
ｅＶ程度に広がり、それ故静電レンズを用いてもビーム
径を０．１μｍφ以下にすることが困難であった。(The problem that the invention attempts to solve! However, even if an FIB device with the above configuration is used, the energy width of the ejected ions expands to about several eV due to the space charge effect, so even if an electrostatic lens is used, the beam It was difficult to reduce the diameter to 0.1 μmφ or less.
また、上記のＦＩＢ装置構成では、イオンの集束化のた
めイオンの加速電圧を数＋ｋｅＶ以上にする必要があ呻
、それ故、このように加速されたイオンが基板に照射す
ることで基板にダメージが発生することが問題となって
いた。In addition, in the above FIB device configuration, it is necessary to increase the ion acceleration voltage to several + keV or more in order to focus the ions, and therefore, the ions accelerated in this way may damage the substrate by irradiating the substrate. The problem was that this occurred.
この発明は以上述べたイオンビーム径の広がりを除去し
、かつイオン照射による基板の照射損傷を低減化するこ
とを目的とする。It is an object of the present invention to eliminate the above-mentioned expansion of the ion beam diameter and to reduce irradiation damage to a substrate due to ion irradiation.
（課題を解決するための手段）
この発明は、走査トンネルｇ徹鏡（ＳｃａｎｎｉｎｇＴ
ｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ；以下ＳＴＭ
という）構成を用い、かっＳＴＭの支持台、っますＳＴ
Ｍ（７）エミッタおよび圧電素子を保持する支持台の前
記エミッタおよび圧電素子と同一面側に液体金属イオン
源を設置するようにしたものである。(Means for Solving the Problems) The present invention provides a scanning tunnel transmirror (Scanning T
unneling microscopy; hereafter STM
) structure, the support stand of the STM, the ST
M(7) A liquid metal ion source is installed on the same side as the emitter and the piezoelectric element of the support base that holds the emitter and the piezoelectric element.
（作 用）
上記のようなこの発明においては、通常の３７Ｍ構成で
トンネル電流により被イオン注入基板のイオン注入位置
を確認する。その後、そのイオン注入位置に液体金属イ
オン源のエミッタを移動させて、該液体金属イオン源よ
り電界蒸発によりイオンを発生させて基板に対するイオ
ン注入を実施する。(Function) In the present invention as described above, the ion implantation position of the ion implantation target substrate is confirmed by the tunnel current in the normal 37M configuration. Thereafter, the emitter of the liquid metal ion source is moved to the ion implantation position, and ions are generated from the liquid metal ion source by field evaporation to perform ion implantation into the substrate.
（実 施 例）
以下この発明の一実施例を図面を参照して説明する。第
１図および第２図はこの発明の一実施例を説明するため
の図で、第１図はイオン注入装置全体の概略構成図、第
２図は液体金属イオン源部分の詳細斜視図である。(Embodiment) An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 and 2 are diagrams for explaining one embodiment of the present invention, in which FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the entire ion implantation device, and FIG. 2 is a detailed perspective view of the liquid metal ion source portion. .
第１図において、１は試料台、２はその上のＳｉ基板な
どの被イオン注入基板である。３はＳＴＭ用のエミッタ
で、その上下方向の動きを検出するための圧電素子（ア
クチュエータ）４とともにＳＴＭ走査のための支持台５
に保持されろ。６はトンネル電流の発生、イオンの電界
電離および加速のためのＤＣ電源、７は電源切り替えス
イッチで、このスイッチ７の可動端子を一方の固定端子
ａに接続することにより、前記エミッタ３と試料台１（
その上の基板２）間にトンネル電流発生用の電圧が印加
される。８は前記ＤＣ電源６と試料台１間に接続された
抵抗、９はトンネル電流制御および微小電圧を増幅する
ための増幅器で、この増幅器９は一方の入力を基準電圧
Ｖ ｒ ｅ ｆとして前記抵抗８の試料台１側の一端と
圧電素子４間に接続されろ。In FIG. 1, 1 is a sample stage, and 2 is an ion-implanted substrate such as a Si substrate thereon. 3 is an emitter for STM, and a piezoelectric element (actuator) 4 for detecting its vertical movement and a support base 5 for STM scanning.
be held in 6 is a DC power source for generating tunnel current, field ionization and acceleration of ions; 7 is a power supply changeover switch; by connecting the movable terminal of this switch 7 to one fixed terminal a, the emitter 3 and the sample stage can be connected to each other; 1(
A voltage for generating tunnel current is applied between the substrates 2) thereon. 8 is a resistor connected between the DC power supply 6 and the sample stage 1; 9 is an amplifier for tunnel current control and amplification of minute voltage; this amplifier 9 uses one input as the reference voltage V r e f to 8 on the sample stage 1 side and the piezoelectric element 4.
前記支持台５には、前記エミッタ３および圧電素子４の
外、これらと同一向側に液体金属イオン源１０が設置さ
れろ。この液体金属イオン源１０は、第２図に示すよう
に、エミッタ１１、ヒーター１２およびリザーバー（溜
）１３を有する。ここで、エミッタ１１は０，３ｗφの
タングステン（Ｗ）ワイヤーからなる。一方、リザーバ
ー１３はグラファイトを加工したルツボであり、ヒータ
ー１２としては１ｍφのＷワイヤーを使用している。イ
オン注入されるべき元素は、その元素を含有する材料、
例えばＡｕ、 Ｓｉ、 Ｇａ、 Ｉｎなどがリザーバー
１３に収容されろ。この元素材料収容後、各々の元素の
融点に対応する温度までリザーバー１３をヒーター１２
で加熱する。そこで、ヒーター１２はヒーター加熱電源
１４に接続されている。また、ヒーター加熱ｆ（ｆ源１
４にば抵抗１５゜１６の直列接続が並列接続され、この
抵抗１５゜１６の中間接続点が前記電源切り替えスイッ
チ７の固定端子すに接続される。また、前記ヒーター加
熱電源１４をヒーター１２に接続する配線の一部はグラ
ファイトのりザーバ−１３に接続されており、したがっ
て、電源切り替えスイッチ７のｉｉＪ勤端子を固定端子
す側に切換えろと、リザーバ＝１３を通してエミッタ１
１と、基板２間にＤＣ１源６によりイオンの電界Ｔｉ離
および加速のための電圧が供給されろ。ただし、ＤＣ＠
Ｃ電源６電源切り替えスイッチ７の可動端子を固定端子
ａに接続する場合と固定端子すに接続する場合とで、出
力の極性を切換えろ。なお、このようにトンネル電流を
発生させるための電源とイオン放出のための？［を１つ
の電源で共用するのではな（、別々の電源を用意するよ
うにしてもよい。A liquid metal ion source 10 is installed on the support base 5 outside the emitter 3 and the piezoelectric element 4 and on the same side as these. This liquid metal ion source 10 has an emitter 11, a heater 12, and a reservoir 13, as shown in FIG. Here, the emitter 11 is made of a tungsten (W) wire of 0.3 wφ. On the other hand, the reservoir 13 is a crucible made of processed graphite, and the heater 12 is a W wire with a diameter of 1 m. The element to be ion-implanted is a material containing the element,
For example, Au, Si, Ga, In, etc. may be accommodated in the reservoir 13. After storing the elemental materials, the reservoir 13 is heated to a temperature corresponding to the melting point of each element by the heater 12.
Heat it up. Therefore, the heater 12 is connected to a heater heating power source 14. In addition, heater heating f (f source 1
A series connection of resistors 15.degree. 16 is connected in parallel to 4, and an intermediate connection point of the resistors 15.degree. 16 is connected to a fixed terminal of the power supply changeover switch 7. Also, a part of the wiring connecting the heater heating power source 14 to the heater 12 is connected to the graphite glue reservoir 13. Emitter 1 through = 13
A voltage for separating and accelerating the electric field Ti of ions is supplied between the substrate 1 and the substrate 2 by a DC1 source 6. However, DC@
Change the polarity of the output depending on whether the movable terminal of the C power supply 6 power supply changeover switch 7 is connected to the fixed terminal a or fixed terminal A. Incidentally, is there a power source for generating tunnel current and for ion release? Rather than sharing [ with one power supply (), you may prepare separate power supplies.
次に、上記のような装置により基板２に対してイオン注
入を行う方法を詳述する。その場合は、まず最初に、Ｓ
ＴＭ構成を用いてイオン注入位置の確認作業を行う。イ
オン注入位置の確認作業としては、最初に、ＳＴＭ用エ
ミッタ３を基板２にｌｎｍ程度の距離まで近づける。次
に、電源６の極性を、基板２に対してエミッタ３の電位
が負電位になるように切換える。このとき、スイッチ７
の可動端子は固定端子ａ側に倒しておく。次に、エミッ
タ３と基板２の間に１ ｍＶ〜ＩＶの電圧を電源６によ
り印加する。この状態でエミッタ３と基板２の間に流れ
ろトンネル電流は１〜１０ｎＡ程度となる。Next, a method for implanting ions into the substrate 2 using the above-mentioned apparatus will be described in detail. In that case, first of all, S
Confirmation of the ion implantation position is performed using the TM configuration. To confirm the ion implantation position, first, the STM emitter 3 is brought close to the substrate 2 to a distance of about 1 nm. Next, the polarity of the power source 6 is switched so that the potential of the emitter 3 becomes a negative potential with respect to the substrate 2. At this time, switch 7
Move the movable terminal to the fixed terminal a side. Next, a voltage of 1 mV to IV is applied between the emitter 3 and the substrate 2 by the power supply 6. In this state, the tunnel current flowing between the emitter 3 and the substrate 2 is about 1 to 10 nA.
その後、トンネル電流を一定に保ちながら、支持台５に
よりエミッタ３を基板表面に沿って走査する。このとき
、例えばエミッタ３が基板２の表面上の白部分に来ると
、エミッタ３と基板２との間隔が狭くなるので、トンネ
ル電流は増加する。この状態ではトンネル電流が元の電
流に戻る位置までエミッタ３を上げる。逆に間部分では
トンネル電流が減少するのでエミッタ３を下げろ。この
エミッタ３の上下方向の動きを圧電素子４で電圧変化と
してとり出し、増幅器９により電圧増幅し、画像化する
。通常エミッタ３の走査は基板面内のＸＹ力方向わたっ
て行う。Thereafter, the emitter 3 is scanned along the substrate surface by the support base 5 while keeping the tunnel current constant. At this time, for example, when the emitter 3 comes to the white part on the surface of the substrate 2, the distance between the emitter 3 and the substrate 2 becomes narrower, so that the tunnel current increases. In this state, the emitter 3 is raised to a position where the tunnel current returns to the original current. On the contrary, the tunnel current decreases in the middle part, so lower the emitter 3. This vertical movement of the emitter 3 is detected as a voltage change by the piezoelectric element 4, and the voltage is amplified by the amplifier 9 and imaged. Normally, the emitter 3 is scanned over the XY force directions within the substrate plane.
このようにしてイオン注入位置を画像化、ないし座標化
した後、そのイオン注入位置に対するイオン注入を行う
。その場合は、まず支持台５を移動させて、一体に液体
金属イオン課１０のエミッタ１１を基板２のイオン注入
位置に移動させろ。After the ion implantation position is imaged or coordinated in this manner, ion implantation is performed at the ion implantation position. In that case, first move the support stand 5 and move the emitter 11 of the liquid metal ion section 10 to the ion implantation position of the substrate 2 together.
次に、リザーバー１３内の、注入される元素を含む材料
をヒーター加熱電源１４およびヒーター１２を用いて加
熱し溶融させる。次に、ＤＣ電源６の極性とスイッチ７
を切換えて、液体金属イオン源１０のエミッタ１１が基
板２に対して正電位になるよう電圧を印加する。このと
き、エミッタ１１の先端の電界がＩＯＶ／ｎｍ以上では
電界蒸発により元素はイオン化する。すなわち、注入す
べきイオンが発生し、そしてこのイオンが基板２に注入
されろことになる。Next, the material containing the element to be injected in the reservoir 13 is heated and melted using the heater heating power source 14 and the heater 12. Next, the polarity of the DC power supply 6 and the switch 7
A voltage is applied so that the emitter 11 of the liquid metal ion source 10 has a positive potential with respect to the substrate 2. At this time, when the electric field at the tip of the emitter 11 is IOV/nm or more, the elements are ionized by field evaporation. That is, ions to be implanted are generated, and these ions are implanted into the substrate 2.
このようにしてイオン注入が行われるが、上記の例では
、エミッタ１１と基板２との距離が１〜１０ ｎｍ程度
であるので、両者間の前記印加電圧としては１０〜１０
０■程度の電圧を印加する。Ion implantation is performed in this way. In the above example, since the distance between the emitter 11 and the substrate 2 is about 1 to 10 nm, the applied voltage between them is about 10 to 10 nm.
Apply a voltage of about 0■.
また、エミッタ１１と基板２間の距離が１〜１０ｎｍ程
度であるという同一理由により、放出イオンのビーム径
は１０ ｎｍＬＩ！以下になる。Furthermore, for the same reason that the distance between the emitter 11 and the substrate 2 is approximately 1 to 10 nm, the beam diameter of the emitted ions is 10 nm LI! It becomes below.
このように、上記方法によれば、ＳＴＭの支持台５に液
体金属イオン＃ｌＯを設置することにより、加速電圧１
０〜１００ｖの低エネルギーで基板２にイオン注入する
ことが可能となる。それ故、注入時の基板２に発生する
照射損傷を極力押えろことができる。また、イオンのビ
ーム径を１０ｎｍφ以下とし得るので、イオン注入精度
を高めることができる。また、 ＳＴＭの構成で１ ｎ
ｍの精度で注入位置の確認ができ、また制御できるので
、よりイオン注入精度を高めることができる。Thus, according to the above method, by installing liquid metal ions #lO on the support stand 5 of the STM, the acceleration voltage 1
Ions can be implanted into the substrate 2 with low energy of 0 to 100V. Therefore, radiation damage occurring to the substrate 2 during implantation can be suppressed as much as possible. Further, since the ion beam diameter can be set to 10 nmφ or less, the ion implantation precision can be improved. Also, in the STM configuration, 1 n
Since the implantation position can be confirmed and controlled with an accuracy of m, the ion implantation precision can be further improved.
（発明の効果）
以上詳細に説明したように、この発明によれば、走査ト
ンネルｒＪＸ黴鏡（ＳＴＭ ）の構成を用い、かつこの
３７Ｍの支持台に液体金属イオン源を設置するようにし
たから、位置決め精度はＳＴＭと同様１ｎｍとなり、か
つ通常のイオン注入に比べ１０〜１００ｅＶの比較的低
エネルギーで注入することができて、照射損傷の極めて
少ないイオン注入が可能となり、しかもイオンビーム径
も極く小さくしてより高精度のイオン注入が可能となる
。(Effects of the Invention) As explained in detail above, according to the present invention, the structure of the scanning tunnel rJX mold mirror (STM) is used, and the liquid metal ion source is installed on this 37M support base. The positioning accuracy is 1 nm, similar to STM, and it can be implanted with a relatively low energy of 10 to 100 eV compared to normal ion implantation, making it possible to perform ion implantation with extremely little radiation damage, and the ion beam diameter is also extremely small. This makes it possible to make the ion implantation structure smaller and perform more precise ion implantation.
第１図および第２図はこの発明のイオン注入方法および
イオン注入装置の一実施例を説明するための図で、第１
図はイオン注入装置全体の概略梼成図、第２図は液体金
属イオン源部分の詳細斜視図である。
１・・・試料台、２・・被イオン注入基板、３・・・エ
ミッタ、４ ・圧電素子、５・・支持台、６・・・Ｄ
Ｃｒｉｌｉｆｔ、７・・・電源切り替丸スイッチ、１０
・・・液体金属イオン源、１１・・・エミッタ、１２・
・・ヒーター、１３・・・リザーバー、１４・・・ヒー
ター加熱電源。
イオン注入装置全体の概略構成図
８：抵抗
第１ 図1 and 2 are diagrams for explaining one embodiment of the ion implantation method and ion implantation apparatus of the present invention, and FIG.
The figure is a schematic diagram of the entire ion implantation device, and FIG. 2 is a detailed perspective view of the liquid metal ion source. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1...Sample stage, 2...Ion implantation target substrate, 3...Emitter, 4...Piezoelectric element, 5...Support stand, 6...D
Crilift, 7...Power selection round switch, 10
...Liquid metal ion source, 11...Emitter, 12.
...Heater, 13...Reservoir, 14...Heater heating power supply. Schematic diagram of the entire ion implantation device 8: Resistor diagram 1
Claims (2)
素子を保持する該顕微鏡の支持台の、前記エミッタおよ
び圧電素子と同一面側に液体金属イオン源を設置し、 （ｂ）前記走査トンネル顕微鏡で被イオン注入基板のイ
オン注入位置を確認した後、 （ｃ）そのイオン注入位置に前記液体金属イオン源のエ
ミッタを移動させてイオン注入することを特徴とするイ
オン注入方法。(1) (a) A liquid metal ion source is installed on the same side as the emitter and the piezoelectric element of a support stand of the microscope that holds the emitter and the piezoelectric element of the scanning tunneling microscope; (b) in the scanning tunneling microscope; An ion implantation method characterized in that, after confirming the ion implantation position of the ion implantation target substrate, (c) moving the emitter of the liquid metal ion source to the ion implantation position and implanting ions.
オン注入位置を確認する走査トンネル顕微鏡を有し、か
つ （ｂ）この走査トンネル顕微鏡のエミッタおよび圧電素
子を保持する該顕微鏡の支持台の、前記エミッタおよび
圧電素子と同一面側に液体金属イオン源を設置したこと
を特徴とするイオン注入装置。(2) (a) having a scanning tunneling microscope that confirms the ion implantation position of the ion implanted substrate by tunneling current, and (b) a support stand for the scanning tunneling microscope that holds the emitter and piezoelectric element of the scanning tunneling microscope; An ion implantation apparatus characterized in that a liquid metal ion source is installed on the same side as the emitter and the piezoelectric element.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63035095A JPH01211848A (en) | 1988-02-19 | 1988-02-19 | Method and apparatus for ion implantation |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP63035095A JPH01211848A (en) | 1988-02-19 | 1988-02-19 | Method and apparatus for ion implantation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01211848A true JPH01211848A (en) | 1989-08-25 |
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|---|---|---|---|
| JP63035095A Pending JPH01211848A (en) | 1988-02-19 | 1988-02-19 | Method and apparatus for ion implantation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01211848A (en) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1988
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