【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
この発明はイオン加工装置、イオン注入装置な
どに用いる電界放出型イオンビーム発生装置の液
体金属イオン源に関するものである。
ガリウム砒素等の半導体基板結晶にレーザ、発
光ダイオード、光検知器などの光デバイス、バイ
ポーラトランジスタ、電界効果型トランジスタな
どの電子デバイスを形成する場合、ｐ型、ｎ型又
は双方の不純物イオンの注入が必要であり、当然
のことながらイオン注入工程では、イオン注入装
置のイオン源の取り替え、マスクの位置合せ等煩
雑な作業の繰返しが行われる。一方、最近提案さ
れているサブミクロンのオーダで収束されたイオ
ンビームを用いるマスクレスイオン注入方法では
ハードウエア上の変更を無くし、すべてソフトウ
エアでプロセスを制御することが可能と考えられ
る。
しかしいずれのイオン注入方法に於ても工程の
途中でイオン源を交換するような場合はイオン発
生部とイオン加速収束系、イオン偏向電極系の間
に厳しい精度で軸合せを行う必要がある。
更に、サブミクロン以上の精度にて既にイオン
注入したパターンの上に重ねて第２のイオン注入
を行う場合、イオン源の交換でイオン発生部の位
置が少しでもずれると、位置の調整に大変手間を
取ることになる。
従つて、一つのイオン発生部よりイオン源を交
換することなく、ｐ型、ｎ型及びアイソレーシヨ
ンのための不純物イオンを選択的に発生できれば
殆どの集積回路デバイス作成工程中でハードウエ
アの変更、調整を行うことなく、ソフトウエアの
制御のみで同一基板に高集積化された信頼度の高
い光−電子デバイスの製造が容易に可能となる。
−族化合物半導体基板結晶イオン注入を行
うためのイオン種としてはこれまで、ｐ型では
Be、ｎ型ではSiが代表的なものであることが知
られており、これらのイオン種はイオン注入にお
いて使用され、良好な活性化率を示している。
しかし、Be，Siを液体金属イオン源に用いる
場合、いずれも融点が高く、蒸気圧も高いため、
融点を下げる目的でAuとの共晶合金の形で使わ
れるのが一般的で、これらの共晶合金、Au−
Be、Au−Siを使つてマスクレスのイオン注入が
既に行われている。更に本出願人はこのAu−Be
及びAu−Si共晶合金型のイオン源の延長として、
双方のイオンを含むAu−Si−Beの三元合金につ
いて特願昭57−105398号（特公昭59−48795号公
報）にて提案した。
しかるに、更に技術の進歩によりｐ型とｎ型の
不純物イオンのみでなく、基板に形成した各デバ
イス間のアイソレーシヨンを完全にするために、
アイソレーシヨンのための不純物イオンを含むよ
うな液体金属イオン源の実現の要求が高まつてき
た。
この発明の目的は融点が700℃以下であつて、
ｐ型、ｎ型の及びアイソレーシヨン用不純物イオ
ンを発生することのできる電界放出型イオンビー
ム発生装置用液体金属イオン源を提供することに
ある。
この発明による液体金属イオン源はAl−Si−
Mgの三元合金であつて、AlとMgの比率は30〜
70原子％：70〜30原子％であり、Siは上記Al−
Mgに対し、８〜16原子％の組成比で構成されて
いることを特徴とする。
上記三元合金のうち、Siは−族化合物半導
体に対してｎ型不純物となり、Mgはｐ型の不純
物となる。またAlは母体金属の役割を有すると
共にマスクレスイオン注入によるデバイス製造の
ときはアイソレーシヨンや電極形成用の不純物と
して用いられる。
第１図ＡはAl−Mg合金の組成比と融点の関係
を示すグラフであつて、単体ではそれぞれの融点
は650℃近傍であるが、互に30〜70原子％の範囲
で混合すると、450℃程度の融点の合金となる。
またSiはMgと合金を形成した場合、第１図Ｂに
示すようにSiの混合比が３原子％近くのとき、融
点が650℃以下の合金となる。更にAl−Si合金の
場合は第１図Ｃに示すようにSiが12原子％を含有
したときに融点が600℃以下の合金が形成する。
上記のグラフより、融点が700℃以下のAl−
Mg−Si合金を得るには、Alに対し、Siが20原子
％の範囲の添加量であり、Mgに対して約３原子
％添加できることになるので、Siの添加量をAl
に対する添加量をMgに対する添加量の許容範囲
内での合計の半分の範囲内ということになる。例
えば、等原子量のAl−Mg合金にSiの添加量は、
Alに対して20原子％の範囲であり、Mgに対して
３原子％であるので、11〜12原子％ということに
なる。
しかし、実際にはAl−Mg合金自体の融点は第
１図Ａに示すように450℃まで下がる。
そこで、下表の如く30：70、50：50、70：30原
子％と三種の組成比の異なるAl−Mg合金にSiを
8.8，12.3，15.6原子％加えてそれぞれ三元合金を
作り、融点を測定した結果、いづれの合金も融点
は650℃以下であつた。
The present invention relates to a liquid metal ion source for a field emission type ion beam generator used in ion processing equipment, ion implantation equipment, etc. When forming optical devices such as lasers, light emitting diodes, photodetectors, and electronic devices such as bipolar transistors and field effect transistors on semiconductor substrate crystals such as gallium arsenide, it is necessary to implant p-type, n-type, or both impurity ions. This is necessary, and as a matter of course, in the ion implantation process, complicated operations such as replacing the ion source of the ion implantation apparatus and aligning the mask are repeatedly performed. On the other hand, in the recently proposed maskless ion implantation method using an ion beam focused on the order of submicrons, it is considered possible to eliminate changes in hardware and control the process entirely by software. However, in any of the ion implantation methods, if the ion source is replaced during the process, it is necessary to align the axes between the ion generation section, the ion acceleration and focusing system, and the ion deflection electrode system with strict accuracy. Furthermore, when performing second ion implantation over a pattern that has already been implanted with submicron or higher precision, if the position of the ion generating part shifts even slightly when replacing the ion source, it will take a lot of effort to adjust the position. will be taken. Therefore, if impurity ions for p-type, n-type, and isolation can be selectively generated from a single ion generation unit without replacing the ion source, hardware changes can be made during most integrated circuit device fabrication processes. , it becomes possible to easily manufacture highly reliable opto-electronic devices that are highly integrated on the same substrate using only software control without making any adjustments. Until now, p-type ion species have been used for crystal ion implantation of − group compound semiconductor substrates.
It is known that Si is a typical Be and n type, and these ion species are used in ion implantation and have shown good activation rates. However, when Be and Si are used as a liquid metal ion source, both have high melting points and high vapor pressures, so
It is generally used in the form of eutectic alloys with Au to lower the melting point, and these eutectic alloys, Au-
Maskless ion implantation has already been performed using Be and Au-Si. Furthermore, the present applicant claims that this Au-Be
and as an extension of the Au-Si eutectic alloy type ion source,
A ternary alloy of Au-Si-Be containing both ions was proposed in Japanese Patent Application No. 57-105398 (Japanese Patent Publication No. 59-48795). However, with further advances in technology, in order to perfect the isolation not only between p-type and n-type impurity ions, but also between each device formed on the substrate.
There has been an increasing demand for a liquid metal ion source containing impurity ions for isolation. The purpose of this invention is to have a melting point of 700°C or less,
An object of the present invention is to provide a liquid metal ion source for a field emission type ion beam generator capable of generating p-type, n-type, and isolation impurity ions. The liquid metal ion source according to this invention is Al-Si-
It is a ternary alloy of Mg, and the ratio of Al and Mg is 30 ~
70 atom%: 70 to 30 atom%, and Si is the above Al-
It is characterized by having a composition ratio of 8 to 16 atomic % with respect to Mg. Among the above ternary alloys, Si serves as an n-type impurity for the − group compound semiconductor, and Mg serves as a p-type impurity. Al also plays the role of a base metal and is used as an impurity for isolation and electrode formation when manufacturing devices by maskless ion implantation. Figure 1A is a graph showing the relationship between the composition ratio and melting point of Al-Mg alloys.The melting points of each element are around 650℃, but when mixed in the range of 30 to 70 at%, It becomes an alloy with a melting point of about ℃.
Further, when Si forms an alloy with Mg, as shown in FIG. 1B, when the mixing ratio of Si is close to 3 atomic %, an alloy with a melting point of 650° C. or lower is formed. Furthermore, in the case of an Al--Si alloy, as shown in FIG. 1C, when Si is contained in an amount of 12 atomic percent, an alloy having a melting point of 600 DEG C. or lower is formed. From the above graph, Al− with a melting point of 700℃ or less
In order to obtain a Mg-Si alloy, Si should be added in an amount of 20 atomic% to Al, which means that it can be added to about 3 atomic% to Mg.
This means that the amount added to Mg is within half of the total amount within the allowable range of the amount added to Mg. For example, the amount of Si added to an Al-Mg alloy of equal atomic weight is
Since it is in the range of 20 atomic % for Al and 3 atomic % for Mg, it is 11 to 12 atomic %. However, in reality, the melting point of the Al-Mg alloy itself drops to 450°C, as shown in Figure 1A. Therefore, as shown in the table below, we added Si to Al-Mg alloys with three different composition ratios: 30:70, 50:50, and 70:30 at%.
When ternary alloys were made by adding 8.8, 12.3, and 15.6 atomic percent, and the melting points were measured, the melting points of all alloys were 650°C or lower.
【表】
次にこの三元合金の製造方法を説明すると、
BN等のルツボに、アルミニウムとマグネシウム
を所定の比率入れ、真空中で約800℃まで加熱す
ると、溶融し、Al−Mg合金ができる。この溶融
合金にSiを所定量少しづつ加えていくと、Al−
Mg−Siの三元合金ができる。この溶融合金は温
度を700℃以下に下げても溶融状態を保つており、
所定の形状に成型、冷却し、液体金属イオン源と
する。
第２図はこの発明の三元合金を液体金属イオン
源として用いて基板結晶にイオンを注入する一実
施例を示し、１は電界放出型イオン発生部であつ
て、エミツタ電極２の先端付近のリザーバに三元
合金３を液体金属イオン源として装填する。エミ
ツター電極２を所定の温度加熱して合金３が溶融
したら、エミツタ電極２とその前方に配置された
イオン引き出し電極４に数KVの電圧を印加する
と、電界蒸発、電界電離などにより、イオン発生
部１より三つの元素を混合したイオンビーム５が
放出されることになり、前絞収束系６を通つて質
量分離器７へ導かれる。
質量分離器７では混合イオン８より目的とする
イオンのみを選択的に分離、放出する。放出され
た目的とするイオンのビーム９はイオン収束系１
０にて収束され、偏向電極１１により基板結晶１
２の所定の位置にイオンを注入し、パターンの描
画を行う。目的とするイオンの注入が完了した
ら、質量分離器７に指令信号を送り、次の目的と
するイオンのみを選択的に分離、放出させ、前述
と同様に所定のパターンの描画を行う。
上述の如く、この発明による三元合金を電界放
出型イオンビーム発生装置の液体金属イオン源と
して用いることにより、一つのイオン源でｎ型、
ｐ型、アイソレーシヨン用不純物イオンを発生す
ることができ、従つてイオン注入工程中にイオン
源を取り替えることなく、任意の不純物イオンを
同一基板結晶上に連続注入することができ且つ形
成されたデバイス間のアイソレーシヨンもできる
ので、最近提案されているサブミクロンのオーダ
で収束されたイオンビームによるマスクレスイオ
ン注入に利用し、高集積化された電子デバイス、
光デバイスが容易に形成されることになる。
次にこの発明の実施例を述べる。
BN製ルツボの中にAlを50ｇ、Mgを45ｇ、Si
を12ｇの割合で入れ、真空中にて800℃に加熱す
る。この状態で放置するとSiも完全に溶け三元合
金が出来た。650℃まで温度を下げても溶融状態
は保たれていた。
この三元合金を、第２図に示した如き構造のイ
オンビーム発生装置のエミツタ電極の周りに液体
金属イオン源として装填しエミツタ電極を650℃
〜700℃に加熱し、エミツタ電極と引き出し電極
間に６〜8KVを印加することにより、Al−Si−
Mgイオンビームが電極先端より放出された。
この放出された混合イオンビームは質量分離器
を制御することにより、目的とする元素のイオン
ビームのみ選択的に分離し、基板へ導びくことが
出来た。[Table] Next, we will explain the manufacturing method of this ternary alloy.
When a predetermined ratio of aluminum and magnesium is placed in a crucible such as BN and heated to approximately 800°C in a vacuum, they melt and form an Al-Mg alloy. When a predetermined amount of Si is added little by little to this molten alloy, Al−
A ternary alloy of Mg-Si is produced. This molten alloy remains molten even when the temperature is lowered to below 700℃.
It is molded into a predetermined shape and cooled to become a liquid metal ion source. FIG. 2 shows an example of implanting ions into a substrate crystal using the ternary alloy of the present invention as a liquid metal ion source. The reservoir is loaded with ternary alloy 3 as a liquid metal ion source. When the emitter electrode 2 is heated to a predetermined temperature and the alloy 3 is melted, a voltage of several KV is applied to the emitter electrode 2 and the ion extraction electrode 4 placed in front of it. An ion beam 5 containing a mixture of three elements is emitted from the ion beam 1, and is guided to a mass separator 7 through a pre-diaphragm focusing system 6. The mass separator 7 selectively separates and releases only target ions from the mixed ions 8. A beam 9 of emitted target ions is passed through an ion focusing system 1
0, and the substrate crystal 1 is focused by the deflection electrode 11.
Ions are implanted at predetermined positions in step 2, and a pattern is drawn. When the injection of the target ions is completed, a command signal is sent to the mass separator 7 to selectively separate and release only the next target ions, and a predetermined pattern is drawn in the same manner as described above. As mentioned above, by using the ternary alloy according to the present invention as a liquid metal ion source in a field emission type ion beam generator, n-type,
It can generate p-type, isolation impurity ions, and therefore any impurity ions can be continuously implanted onto the same substrate crystal without replacing the ion source during the ion implantation process. Since isolation between devices can also be achieved, it can be used for maskless ion implantation using a focused ion beam on the order of submicrons, which has been proposed recently, and is used to create highly integrated electronic devices.
Optical devices will be easily formed. Next, embodiments of this invention will be described. 50g of Al, 45g of Mg, and Si in a BN crucible
Add 12g of and heat to 800℃ in vacuum. When left in this state, the Si also completely melted and a ternary alloy was formed. The molten state was maintained even when the temperature was lowered to 650°C. This ternary alloy was loaded as a liquid metal ion source around the emitter electrode of an ion beam generator with the structure shown in Figure 2, and the emitter electrode was heated to 655°C.
Al-Si-
A Mg ion beam was emitted from the tip of the electrode. By controlling the mass separator, this emitted mixed ion beam could be selectively separated into only the ion beam of the target element and guided to the substrate.
【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]
第１図Ａ−ＣはそれぞれAl−Mg、Mg−Si、
Al−Si合金の組成比と融点の関係を示すグラフ、
第２図はイオン注入装置の一実施例を示す概略構
成図である。
１……電界放電型イオン発生部、２……エミツ
タ電極、３……液体金属イオン源、５……混合イ
オンビーム、７……質量分離器、９……選択イオ
ンビーム、１２……基板結晶。
Figure 1 A-C are Al-Mg, Mg-Si,
Graph showing the relationship between composition ratio and melting point of Al-Si alloy,
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing one embodiment of an ion implantation device. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Field discharge type ion generator, 2... Emitter electrode, 3... Liquid metal ion source, 5... Mixed ion beam, 7... Mass separator, 9... Selected ion beam, 12... Substrate crystal .