(57)【要約】サブストレート内の、シングルイオンの衝突、透過、及び停止を検出することによる、シングルイオンの注入加工方法及びそのシステム。このような検出は、Ｋａｎｅ量子コンピュータを構成するべき半導体サブストレートに対して、相当数の３１Ｐイオンの注入を成功させるために、極めて重要である。特に、サブストレート２０内に生成された電子−ホールペアを分離して移動させるための電界を発生させるように、サブストレート２０表面上の２つの電極２２、２３に渡って電位２４を印加するアプリケーションの方法及びシステムに関する。検出器（過渡電流センサ）３０は、電極の過渡電流を検出し、サブストレート２０内のシングルイオンの到達を測定するために用いられる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サブストレート内の重いシングルイオンの衝突、透過、及び停止を検出することによる、シングルイオンの注入加工方法において、
電子−ホールペアを生成させるために、電気的に活性なサブストレートにシングルイオンを衝突させる工程、
前記サブストレート内に生成された電子−ホールペアを分離して移動させるための電界を発生させるように、前記サブストレート表面上の２つの電極に渡って電位を印加する工程、
前記電極の過渡電流を検出して、前記サブストレート内のシングルイオンの到達を測定する工程、
を備えたことを特徴とする、シングルイオンの注入加工方法。
【請求項２】
前記サブストレートは、高い抵抗率のシリコンであり、
前記イオンは、３１Ｐである、
ことを特徴とする、請求項１記載のシングルイオンの注入加工方法。
【請求項３】
２０ｎｍ以下のイオンビームプローブを生成する電界電離イオン源から、集束イオンビームを発生させる工程、
を備えたことを特徴とする、請求項１または２記載のシングルイオンの注入加工方法。
【請求項４】
前記シングルイオンの到達を検出した後、前記ビームをゲートオフする工程、
を備えたことを特徴とする、請求項３記載のシングルイオンの注入加工方法。
【請求項５】
検出可能な電離を引き起こすために、電離放射線を発生させる前工程、
を備えたことを特徴とする、請求項１ないし４いずれか記載のシングルイオンの注入加工方法。
【請求項６】
前記電離放射線は、Ｘ線または電子である、
ことを特徴とする、請求項５記載のシングルイオンの注入加工方法。
【請求項７】
一方また他方の前記電極へのイオン衝突の近さを測定するために、イオン衝突が誘発した信号の極性を測定する工程、
を備えたことを特徴とする、請求項１ないし６いずれか記載のシングルイオンの注入加工方法。
【請求項８】
前記シングルイオンの到達を検出した後、更なる注入のための前記サブストレート上の新たな位置に、マスクを移動させる工程、
を備えたことを特徴とする、請求項１ないし７いずれか記載のシングルイオンの注入加工方法。
【請求項９】
前記サブストレートに薄いイオン感度レジストを塗布し、前記シングルイオンの衝突位置が見えるように、後に当該レジストを現像する工程、
を備えたことを特徴とする、請求項１ないし８いずれか記載のシングルイオンの注入加工方法。
【請求項１０】
前記サブストレートの表面に厚いレジスト層を生成し、前記シングルイオンの注入のために、当該レジスト層にアパチャーを開口する工程、
を備えたことを特徴とする、請求項１ないし９いずれか記載のシングルイオンの注入加工方法。
【請求項１１】
電子ビームリソグラフィ及びその後の現像により、前記レジスト層に２つのアパチャーを開口する、
ことを特徴とする、請求項１０記載のシングルイオンの注入加工方法。
【請求項１２】
ＥＢＬ（電子ビームリソグラフィ）を用いて、前記サブストレートの表面上で線状の金属電極を形成し、前記レジスト層を堆積させ、ＥＢＬシステムにより、前記線状の電極を横切った十字形状のラインを描画し、現像後に、露出したサブストレート表面へのパスを通じさせ、前記電極近傍のパスにイオンを注入する工程、
を備えたことを特徴とする、請求項１１記載のシングルイオンの注入加工方法。
【請求項１３】
移動自在な前記マスクは、前記サブストレートの表面上で正確に位置決めすることの出来る、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）のカンチレバーでナノ加工されたアパチャーである、
ことを特徴とする、請求項８記載のシングルイオンの注入加工方法。
【請求項１４】
前記ナノ加工されたアパチャーは、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて加工される、
ことを特徴とする、請求項１３記載のシングルイオンの注入加工方法。
【請求項１５】
前記集束イオンビーム（ＦＩＢ）のビーム径は、２０ｎｍより小さい、
ことを特徴とする、請求項１４記載のシングルイオンの注入加工方法。
【請求項１６】
前記ＦＩＢでカンチレバーの先端部を描画し、前記カンチレバーの先端部の既知の位置に、前記ナノ加工されたアパチャーを開口する工程、
を備えたことを特徴とする、請求項１５記載のシングルイオンの注入加工方法。
【請求項１７】
前記カンチレバーを用いてサブストレート上にレジストレーションマークを最初に配置しかつ描画するために、前記ナノ加工されたアパチャーを、ＳＴＭまたはＡＦＭを用いて配置する工程、
を備えたことを特徴とする、請求項１３ないし１６いずれか記載のシングルイオンの注入加工方法。
【請求項１８】
前記イオンの衝突位置を描画し、かつ前記サブストレートに対してシングルイオンの注入が成功したことを確かめるために、前記カンチレバーを用いる工程を、各注入の工程間に備えた、
ことを特徴とする、請求項１３ないし１７いずれか記載のシングルイオンの注入加工方法。
【請求項１９】
前記シングルイオンの衝突が検出されるまで、イオンが注入されるべきサブストレートの表面上の位置で、ＦＩＢを休止させ、次いで、前記サブストレート上で新たな位置にＦＩＢを走査させ、そして、当該休止工程を繰り返す工程、
を備えたことを特徴とする、請求項１ないし１８いずれか記載のシングルイオンの注入加工方法。
【請求項２０】
前記ＦＩＢは、２０ｎｍ以下のスポットである、
ことを特徴とする、請求項１９記載のシングルイオンの注入加工方法。
【請求項２１】
ナノ加工されたマスクを用い、前記マスクのアパチャー上で前記ＦＩＢを休止させる工程、
を備えたことを特徴とする、請求項１９または２０記載のシングルイオンの注入加工方法。
【請求項２２】
イオンビームが与えた、シングルイオンの衝突によるダメージをアニールするために、集束されたレーザービームを用いる工程、
を備えたことを特徴とする、請求項１ないし２１いずれか記載のシングルイオンの注入加工方法。
【請求項２３】
ｋｅＶオーダのシングルイオンを検出するのに十分なＳＮ比となるように、前記サブストレートを冷却する工程、
を備えたことを特徴とする、請求項１ないし２２いずれか記載のシングルイオンの注入加工方法。
【請求項２４】
サブストレート内のシングルイオンの衝突、透過、及び停止を検出することによる、シングルイオンの注入加工システムにおいて、
イオンまたは電子の衝突が電子−ホールペアを生成する、電気的に活性なサブストレートを設け、
前記サブストレートに形成された少なくとも２つの電極を設け、
前記サブストレート内に生成された電子−ホールペアを分離して移動させるための電界を発生させるように、前記電極に渡って電位を印加する電源を設け、
前記電極の電流を検出して、前記サブストレート内のシングルイオンの到達を測定するための、過渡電流センサを設けた、
ことを特徴とする、シングルイオンの注入加工システム。
【請求項２５】
前記サブストレートは、高い抵抗率のシリコンであり、
前記イオンは、３１Ｐである、
ことを特徴とする、請求項２４記載のシングルイオンの注入加工システム。
【請求項２６】
前記シングルイオンの到達を検出した後、ビームをゲートオフするためのゲーティングサブシステムを設けた、
ことを特徴とする、請求項２４または２５記載のシングルイオンの注入加工システム。
【請求項２７】
電離を検出することが出来る、前記サブストレートに隣接した第１の位置と、前記サブストレートに電離放射線が照射されない第２の位置との間を移動することの出来る、電離放射線源を設けた、
ことを特徴とする、請求項２４ないし２６いずれか記載のシングルイオンの注入加工システム。
【請求項２８】
前記電離放射線は、Ｘ線または電子である、
ことを特徴とする、請求項２７記載のシングルイオンの注入加工システム。
【請求項２９】
前記シングルイオンを異なる位置に注入するために、前記サブストレート上に移動自在なマスクを設けた、
ことを特徴とする、請求項２４ないし２８いずれか記載のシングルイオンの注入加工システム。
【請求項３０】
前記マスクは、２つのアパチャーを有する、
ことを特徴とする、請求項２９記載のシングルイオンの注入加工システム。
【請求項３１】
前記マスクは、前記サブストレートの表面上で正確に位置決めすることの出来る、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）のカンチレバーにナノ加工された、アパチャーである、
ことを特徴とする、請求項２９記載のシングルイオンの注入加工システム。
【請求項３２】
前記ナノ加工されたアパチャーは、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて加工される、
ことを特徴とする、請求項３１記載のシングルイオンの注入加工システム。
【請求項３３】
前記集束イオンビーム（ＦＩＢ）のビーム径は、２０ｎｍより小さい、
ことを特徴とする、請求項３２記載のシングルイオンの注入加工システム。
【請求項３４】
ｋｅＶオーダのシングルイオンを検出するのに十分なＳＮ比となるように、前記サブストレートを冷却するための冷却システムを設けた、
ことを特徴とする、請求項２４ないし３３いずれか記載のシングルイオンの注入加工システム。
【請求項３５】
請求項１ないし２３いずれか記載の注入加工方法を使用して製造された、
ことを特徴とする、量子コンピュータ。
【請求項３６】
請求項１ないし２３いずれか記載の注入加工方法を使用して製造された、
ことを特徴とする、ナノ加工された光学ファイバー。
【請求項３７】
請求項１ないし２３いずれか記載の注入加工方法を使用して製造された、不純物の注入が制御された集積チップ。
【請求項３８】
請求項１ないし２３いずれか記載の注入加工方法を使用して製造された、不純物の注入が制御されたレジスト構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サブストレート内のシングルイオンの衝突、透過、及び停止を検出することによる、シングルイオンの注入加工方法及びそのシステムに関する。このような検出は、Ｋａｎｅ量子コンピュータを構成するべき半導体サブストレートに対して、相当数の３１Ｐイオンの注入を成功させるために、極めて重要である。
【０００２】
イオンは、電離された原子である。我々は、電離された状態にかかわらず、原子が動いている間は「イオン」と称する慣行を採用し、イオンが静止した後は「原子」と称する。
【背景技術】
【０００３】
Ｋａｎｅ量子コンピュータでは、結晶シリコン内にシングルドナー３１Ｐ（リン）原子を、規則正しく１Ｄまたは２Ｄのアレイとして配置させる必要がある。原子同士の間隔は、２０ｎｍまたはそれ以下でなければならない。これに代わる構造を、Ｖｒｉｊｅｎ等２が提案している。この構造では、原子同士の間隔を、Ｋａｎｅ量子コンピュータより大きい、１００ｎｍオーダにすることの出来る、異種構造の３１Ｐ原子のアレイである。このように高い精度で配置することは、従来からある、リソグラフィ及びイオン注入技術やフォーカスデポジション（例えばレーザデポジション）では、非常に困難であることが分かってきた。困難なのは、ドナー原子のアレイを高い精度で構成することだけでなく、ドナー原子をアレイの各セルに確実に挿入することである。
【０００４】
光学リソグラフィは、集積回路を高い精度で製造するために半導体工業により利用されてきた。光学リソグラフィシステムは、露光装置、マスク、レジスト、及び、マスクからレジストを介してデバイスにパターン転写を行うべき工程を備えている。しかしながら、レジスト層を使用することにより、解像度が、マスクのパターン転写に使用される光の波長で制限される。この解像度は、現在、約１００ｎｍである。
【０００５】
電子ビームリソグラフィ（ＥＢＬ）では、レジストにパターンを直接描画するために、高い精度で集束された電子ビームが使用され、２０ｎｍよりも良い解像度を達成することが出来る。更に、最近の特許出願３に述べられている「トップダウンプロセス」では、ナノスケール（ナノメートルの精度の）のチャネルのアレイをレジストに構成するために、電子ビームリソグラフィが用いられている。レジストにはイオンビームが照射されるので、イオンがその表面にランダムで衝突される。その表面では、サブストレート内で１個以上の原子に向いたチャンネルのランダムアレイが、ナノスケールの構造を構成する。
【０００６】
しかしながら、これら全てのリソグラフィ技術でも、サブストレートに到達する原子の個数を制御することは、不可能である。
【０００７】
Ｌｕｔｈｉ他４は、レジストレスの（レジストを用いない）リソグラフィ技術について述べており、この技術により、金属線を１００ｎｍ以下の線幅で加工することの出来る。この技術は、ナノステンシルと呼ばれる、超高解像度の走査型シャドーマスクに基づいている。１個以上のアパチャーを介した原子または分子ビームを視準するために、可動サンプルが、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のカンチレバーアームで露光される。標準的なＶ字形状からなるＳｉ３Ｎ４のカンチレバーが使用され、このカンチレバーは、０．１Ｎｍ−１以下のバネ定数の一体化された先端部（チップ）を有していた。このアパチャー径は、所望のマスクの構造に依存しており、５０ないし１００ｎｍの範囲であった。ナノステンシルのサンプルを走査することにより、その構造がサンプルの表面上に配置された。この構造は、ナノメートルの精度で構成された後、ＡＦＭで検査された。
【０００８】
上に述べた方法では、多数個の原子を高い精度で配置することが出来るが、シングルイオンを注入したり検出したりすることは出来ない。
【０００９】
品田等５は、Ｋｏｈ等６により開発されたシングルイオンの注入組立部品を用いて、シングルイオンの検出技術を開発してきた。シングルイオンの注入組立部品は、１対のディフレクタープレートと、精密な４重極磁石と、ターゲットと、電子増倍管（ＥＭＴ）と、ディフレクタープレートと、ＥＭＴに接続されたチョッパ制御回路とから構成されていた。ディフレクタープレート上では、電位差をスイッチングすることが出来、これによりイオンビームのチョッパが行われる。イオンビームは、イオンビーム電流と、対物スリット径と、ディフレクタープレートに印加される電位差のスイッチング時間とが調整されて持続され、このイオンビームからシングルイオンが次々と抽出される。
【００１０】
こうして抽出されたシングルイオンは、４重極磁石のレンズで集束され、ターゲットに衝突される。入射するイオンの個数は、イオンの入射によって放射される２次電子をＥＭＴにより検出して制御される。ＥＭＴからの信号は、チョッパ制御回路に出力され、チョッパ制御回路は、所望の個数のシングルイオンが検出されるまで、ディフレクターにビームチョップ信号を継続して出力する。
【００１１】
品田等５は、イオンが入射されたターゲットから放射される２次電子を検出することが、入射するイオンの個数を制御する鍵であることを報告することにより、Ｋｏｈ等６の研究結果を強調した。
【００１２】
２次電子の検出効率Ｐｄは、数１のように定義する。
【００１３】
【数１】
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【００１４】
ＮＳＥは、シングルチョップにより検出された２次電子の平均個数である。Ｎｅｘｔは、シングルチョップにより抽出されたイオンの平均個数であり、Ｎｅｘｔは、イオンビーム電流及びビームチョップ時間に比例する。
【００１５】
２次電子の効率を測定するために、１００ｋＨｚの周波数で、６０ｋｅＶのＳｉ２＋（シリコン）イオンビームのチョッパが行われた。ＮＳＥは、単位秒あたりの２次電子の個数を１０５で割ることにより見積もられた。Ｎｅｘｔを評価するために、標準的な固体飛跡検出器（ＣＲ−３９）が用いられた。
【００１６】
２次電子検出器には、シンチレータ及びライトガイドを有する光電子増倍管が設けられていた。シンチレータの高感度部に２次電子を案内するために、グリッド電極が用いられた。
【００１７】
実験結果では、２次電子の検出効率Ｐｄが９０％であった。２次電子検出システムの能力により、部分的な誤差があった。更に、実験結果は、シングルイオンが入射する位置を３００ｎｍより少ない誤差で制御することに成功したことを示した。
【００１８】
このように、イオン衝突によって、放射される２次電子のパルスから衝突を検出しても、マスクでの衝突なのか、マスク下のサブストレートでの衝突なのかを識別することが出来ない。
【発明の開示】
【００１９】
本発明の第１の点は、サブストレート内の重いシングルイオンの衝突、透過、及び停止を検出することによる、シングルイオンの注入加工方法において、
電子−ホールペアを生成させるために、電気的に活性なサブストレートにシングルイオンを衝突させる工程、
サブストレート内に生成された電子−ホールペアを分離して移動させるための電界を発生させるように、サブストレート表面上の２つの電極に渡って電位を印加する工程、
電極の過渡電流を検出して、サブストレート内のシングルイオンの到達を測定する工程、
を備えた方法である。
【００２０】
この方法の優れている点は、低いエネルギー（ｋｅＶオーダ）のイオンを注入しながら、シングル原子のアレイを一定の精度で構成することが出来る点である。また、サブストレートに到達するイオンのみに対して感度が高く、マスク表面に衝突するイオンを無視する点でも優れている。この方法では、検証及び分析のためのそれぞれのイオン衝突が示され、イオンはほぼ１００％の効率で検出される。また、高感度の材料をナノスケールで加工（以下、単に「ナノ加工」という）するために、シングルイオンの通過による潜在的なダメージを利用することを、ＭｅＶオーダのイオンを用いて行うことが出来る。
【００２１】
サブストレートは、高い抵抗率のシリコンなどの真性半導体でもよいが、有効な時定数を有する電子−ホールペアが生成されるために、電離することが出来る程度に電気的に活性であれば、いずれのサブストレートでもよい。
【００２２】
照射するイオンとしては、２０ｎｍ以下のイオンビームプローブを生成する電界電離イオン源からの集束イオンビームを用いてもよい。これに代えて、ブロードビームの注入装置を用いることも出来る。イオンビーム電流のレベルを、ビームをゲートオフするのに必要な時間の間、マルチイオンの衝突確率を最小化させるほど低く調整してもよい。これに必要な電流は、イオン衝突の検出及びビームゲート回路の応答速度に依存するであろう。電流は一般的に、単位秒あたり１００原子であろう。このようなビームプローブを、マスクの有無に関係なくシングルイオンを所望の位置に注入するために、用いることが出来る。シングルイオン検出信号を、デバイスの構成が必要ないサブストレートの周辺領域に入れることで、必要なビーム電流を変化させることが出来る。
【００２３】
ここで、本発明を用いてイオンを検出する技術について述べる。注入されたイオンは、サブストレート内で停止し、その深度は、初期イオンエネルギー及びサブストレートの阻止能により決定される。阻止能はエネルギー損失の過程で決定され、この過程には２つの種類がある。第１の過程は、原子核の作用であり、入射する粒子とサブストレートとが衝突し、跳ね返りや散乱が引き起こされる。第２の過程は、電子の作用であり、イオンの運動エネルギーが移送されて、サブストレートの電離及びこれに伴う電子−ホールペアの生成が行われる。本発明に係る方法では、電子の作用のみで出力される信号を検出することが出来ることを正確に認識すべきである。
【００２４】
サブストレートの電離は、電極により検出され、この電極を、注入すべき領域に隣接して配置してもよい。２つの電極を両方共、サブストレートの表面上に配置してもよく、あるいは、アプリケーションに応じて、一方の電極をその表面上に配置し、他方の電極を背面上に配置してもよい。イオン衝突を検出するために、これらの電極に渡ってバイアス電圧を印加してもよい。これにより、正または負の電極へのイオン衝突の近さを測定するために、イオン衝突が誘発した信号の極性を測定することが出来る。そのため、ブロードビームで注入されたサブストレートに、ナノ加工された２つのアパチャーを設けてもよく、イオン衝突を実際に受けたアパチャーで、２つの電極で収集された信号の相対強度及び極性を確認することも可能である。
【００２５】
サブストレートを、ｋｅＶオーダのイオンを検出するのに十分なＳＮ比となる（７７Ｋのオーダの）低温に維持するために、サブストレートの冷却システムを必要としてもよい（ＭｅＶオーダのイオンの場合、サブストレートを室温に維持してもよい。）。
【００２６】
プロトタイプのシステムでは、サブストレートを十分透過していないイオンからの信号やランダムノイズなどの、誤った信号がほとんどないことが示されてきた。これらの結果は、Pulse sharp discrimination法により除去することが出来る。
【００２７】
検出信号を、コンピュータを経由した、イオンビームをゲートオフするフィードバック回路へのゲート信号を発生させるために、用いてもよい。このような制御信号により、マスクを、更なる注入のためにサブストレート上の新たな位置に進めて、そこからビームを再度ゲートオンしてもよい。
【００２８】
このシステムの機能を、薄い、イオン感度レジストを用いて高めてもよく、このレジストは、シングルイオンの衝突位置が見えるように現像される。入射するイオンは、薄いレジストを通過すると、潜在的な跡を残してサブストレートに進入する。潜在的な跡は、穴が見えるように標準的な技術で現像され、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で、この穴を画像表示することが出来る。この結果、穴の画像は、注入されたイオンがサブストレートに進入した位置を示すことになる。
【００２９】
また、厚いレジスト層をナノ加工されたマスクとして用いることにより、システムの機能を高めてもよく、このレジスト層は、マスクの開口領域以外でサブストレートに進入するイオンをブロックする。このマスクにより、シングルイオンが注入されるべきサブストレートの所望の領域が露出される。
【００３０】
２個の原子デバイスを構成するために、このマスク（レジスト層）に２つのアパチャーを開口させてもよく、これを、完成したデバイスの金属電極などを利用して達成してもよい。この場合、金属電極が、従来からある電子ビームリソグラフィ（ＥＢＬ）を用いて形成されて、レジスト層が堆積される。ＥＢＬシステムにより、十字形状のラインが、線状の電極を横切って描画される。このラインは、現像後に、サブストレートが露出された表面へのパスとなる。このマスクは、厚い金属電極とレジスト層とからなる。電極近傍のパスに、イオンを注入することが出来る。一部のイオンは電極の金属で阻止されるであろうが、これにより、イオン検出システムに信号が出力されない。なぜなら、金属でのイオン衝突では、ほとんどチャージされないからである。
【００３１】
それぞれのアパチャーのシングルイオンにより原子デバイスが構成される可能性は、約５０％である。実際には、イオンが側方に散乱するために、この可能性は５０％を超える。例えば、Ｋａｎｅ量子コンピュータのために１５ｋｅＶの３１Ｐイオンをシリコンに注入した場合、その側方への散乱は約７ｎｍ７である。両方のイオンが同一のアパチャーを通ってサブストレートに進入しても、注入された原子が、最後には異なる位置に配置される可能性は大きい。従って、両方のイオンを、量子コンピュータのＡ及びＪゲート電極で、離れて読み出すようにしてもよい。イオンは散乱するため、１個または両方のイオンが、最後にはＡゲート下の最も望ましい位置に配置される可能性は大きい。いずれの場合も、たとえ原子が電極下に正確に配置されなくても、原子を、ゲート電位の適当な同調によって読み出すことが出来る。Technology Computer Aided Design（ＴＣＡＤ）の計算結果は、２個の原子が異なる位置に在る限り、それらを個別に読み出すことが出来ることを示している。
【００３２】
このシステムでは、ＡＦＭのカンチレバーのナノ加工されたアパチャーからなる、移動自在なマスクを用いることにより、注入されたイオンのアレイの規模を大きくしてもよい。カンチレバーは、所望の原子の位置上に正確に位置決めされ、イオンビームを照射することが出来る。
【００３３】
ナノ加工されたアパチャーを、ＥＢＬを用いてレジスト層に加工してもよい。これに代えて、ナノ加工されたアパチャーを、標準的なカンチレバーに開口してもよく、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）または原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の部品として構成してもよい。また、ナノ加工されたアパチャーを、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて加工してもよい。集束イオンビームには、通常、集束されたＧａイオンのビームが使用され、サンプルの画像を示しかつ加工するために、ビーム径は２０ｎｍより小さい。ＦＩＢを用いて、カンチレバーの先端部（チップ）を最初に描画することにより、カンチレバーの先端部の既知の位置に、ナノ加工されたアパチャーを正確に開口することが出来る。
【００３４】
ナノ加工されたアパチャーは、ＳＴＭまたはＡＦＭを用いて、サンプル上に正確に位置決めすることが出来る。これは、ナノ加工されたアパチャーを有する同一のカンチレバーを用いて、レジストレーションマークをサブストレート上に最初に配置しかつ描画するためであり、また、１個のイオンがアパチャーを通過してサブストレートに注入されるように、１個のイオンに対応したアパチャーを効率良く整列させるためである。
【００３５】
イオン衝突の結果として生じる化学的または形態的な変化を描画するための、イオンの衝突位置を描画し、かつサブストレートに対してシングルイオンの注入が成功したことを確かめるために、注入の工程間で、カンチレバーを用いることも可能である。
【００３６】
移動自在なマスクを、約１ｎｍより高い精度で制御してもよい。移動自在なマスクの厚さは、入射するビームを阻止するために十分なので、イオンはアパチャー以外を通過することが出来ない。
【００３７】
また、このシステムを、イオンを注入するべきＦＩＢを用いることにより、規模の大きいアレイを構成するように用いてもよい。このＦＩＢの集束されたプローブは、２０ｎｍ以下のスポットである。集束されたプローブは、サブストレート上を走査された場合、イオンを注入するべき位置で休止される。ビームの休止と走査の進行は、イオン衝突信号で制御される。ＦＩＢは、特定のアプリケーションに対して要求されるイオンビームを発生するように、適当な共晶合金のイオン源を用いて構成される。もし、ＦＩＢのプローブサイズがマスクのアパチャーより大きい場合、ナノ加工されたマスクと走査されたＦＩＢとの組み合わせを用いることも出来る。この場合、プローブは、マスクのアパチャー上で休止させるようにして走査される。
【００３８】
次いで、検出器（過渡電流センサ）のテスト方法について述べる。このテスト方法は、検出可能な電離を引き起こすために、例えばＸ線や電子などの電離放射線を発生させるテストモードで行われてもよい。このようなテストにより、イオンの注入前に、サブストレートが電気的な活性であること、及びイオン衝突を検出するためにシステムが効率良く機能することが確認されるであろう。
【００３９】
この測定は、小さな放射線源（または適当なＸ線源）を、注入されるべきサブストレートの正面に向かって振動させて行ってもよい。Ｘ線は、サブストレートに何らダメージを与えることなく、放射線源に依存した一定量のエネルギーをサブストレート内に蓄積させ、パルス高さスペクトラムが、デバイスの品質を示すことになる。Ｘ線は表面層を透過するので、レジスト膜に完全に覆われているデバイスにも使用することが出来る。
【００４０】
また、パルス高さスペクトラムのエネルギー測定のために、複数のエネルギー粒子を供給するように、調和したエネルギーの電子源、またはこれと異なるエネルギーのＸ線源を用いることも可能である。
【００４１】
これら全ての方法のためには、イオンがサブストレート内に与えたダメージをアニールしなければならない。イオンを注入した後、そのイオンビームが与えた、シングルイオンの衝突によるダメージをアニールするために、集束されたレーザービームを用いてもよい。我々はこれまで、このことについて、ダイヤモンド８、９を用いて、サンプルの他の領域を著しく過熱することなく、特定の（１０μｍより小さい径の）領域だけをアニール出来ることを明らかにしてきた。この代りの戦略として、サブストレート全体を過熱する、急速な熱アニールがあるが、これは元の構造にダメージを与えるかもれない。
【００４２】
本発明の第２の点は、サブストレート内の、２０ｋｅＶ以下の３１Ｐイオンなどのシングルイオンの衝突、透過、及び停止を検出することによる、シングルイオンの注入加工システムにおいて、
イオンまたは電子の衝突により電子−ホールペアを生成する、電気的に活性なサブストレートを設け、
サブストレートに形成された少なくとも２つの電極を設け、
サブストレート内に生成された電子−ホールペアを分離して移動させるための電界を発生させるように、電極に渡って電位を印加する電源を設け、
電極の電流を検出して、サブストレート内のシングルイオンの到達を測定するための、過渡電流センサを設けた、
ことを特徴とする、シングルイオンの注入加工システムである。
【００４３】
光学ファイバーや高い精度を要求する材料などをナノ加工するために、シングルイオンを注入して、本発明を他のアプリケーションに用いてもよい。このアプリケーションでは、加工すべき対象物が、活性なサブストレートの表面に配置される。ＭｅＶオーダのイオンは、一般的に１００μｍオーダの範囲で用いられるであろう。活性なサブストレートは、既に述べたいずれかの方法のイオンビームにより、加工すべき対象物へのシングルイオンの注入を示す信号を出力する。所望の位置を露光した後、シングルイオンの注入により発生した潜在的なダメージを、ナノ加工された構造を構成するように現像することが出来る。
【００４４】
本発明を、規則的な集積チップのコンポーネントへの不純物の注入を制御するために、例えば、トランジスタのゲートにおける不純物原子の規則的なアレイを構成するために用いてもよい。電子散乱を減少させるように、規則化された不純物のアレイによって、デバイスに所望の電気特性を与えてもよい。
【００４５】
本発明の実施例を、添付図面を参照して説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
本実施例では、２０ｋｅＶ以下の３１Ｐイオンを必要とする、Kane量子コンピュータの構成に関する発明について述べる。
【００４７】
初めに図１に示すように、システム１０は、２０ＫｅＶ以下の３１Ｐイオンなどの重いシングルイオンの衝突、透過、及び停止を、サブストレート内で検出するために用いられる。サブストレート２０は、０．２ｍｍ厚のシリコンウェハーで、その抵抗率は１、０００Ω・ｃｍより大きい。サブストレート２０は、金属コンタクト上にマウントされ、接地されている。サブストレート全体は、電気的に活性なシリコンであり、１個の３１Ｐイオンが注入されると、電子−ホールペアが生成されるであろう。サブストレートの表面上には、５ｎｍ厚の酸化層２１と、２個の電極２２、２３とが設けられている。サブストレートの表面と平行な電界を発生させ、サブストレート内に生成された電子−ホールペアを分離して移動させるために、電位（電源）２４がこれら電極に渡って印加される。過渡電流センサ３０は、電極の過渡電流を検出するために用いられ、サブストレート内のシングルイオンの到達を測定する。
【００４８】
デバイス（システム）１０には、その表面に金属層や不純物層が形成されていないので、デッド層２１を、ｐ−ｎ接合やショットキー構造で構成されたデバイスより厚くすることが出来る。
【００４９】
ＭｅＶオーダのイオン衝突では、シリコンのサブストレートの抵抗率を、１、０００から約５、０００〜７、０００Ω・ｃｍに増大させると、サブストレート２０内で測定されたチャージ収集効率は、約１０％程改善し、少なくとも９６％にまで改善した。従って、高い抵抗率のシリコンで作製されたサブストレートは、シングルイオンのアレイ構造に非常に適している。また、サブストレートとイオン検出回路とを冷却し、電極下でショットキーバリアを用いると、効率が更に改善する。
【００５０】
サブストレートを１個のイオンが透過すると、電子のエネルギー準位が励起され、結果的にホールが残される。これらのチャージキャリアは、電極によって発生された電界により分離される。負のチャージキャリアは、正の電極に向かってドリフト（移動）し、正のチャージキャリアは、負の電極に向かってドリフト（移動）する。このドリフト速度は電界に依存する。この結果、イオン衝突信号を出力するために、過渡電流が検出される。
【００５１】
仮に、高い電界領域がサブストレート全体に広がらない場合、低い電界領域に対応した電極間に、デッド領域が存在する可能性がある。このデッド領域に進入するいずれのチャージキャリアも、速度がほとんど０で、僅かな距離しかドリフトしないため、再結合してしまうだろう。従って電極は、デッド領域が出来るだけ小さくなるような形状にしなければならない。過渡電流により表される微小な電流は、残るチャージキャリアの動きにより、構成されることになる。
【００５２】
過渡電流が検出されることは、サブストレート内の所望の位置に１個の原子が注入されたことを示している。更なるイオンの透過を防止するイオンビームを偏向させるために、このイオン検出システムからの信号が用いられる。
【００５３】
この信号を最大化させるように電極の配置を最適化するために、数値シミュレーションが用いられてきた。数１０ｋｅＶまでの３１Ｐイオンでは、酸化層下の活性層に僅か約１５％しかもたらされない残余の運動エネルギーにより、電子−ホールペア、即ち、信号が出力される。残りは、パルス高さ欠陥と呼ばれ、原子の衝突で失われる。
【００５４】
純度の高いサブストレートを液体窒素の温度まで冷却することにより、及び、大きなバイアス電圧が印加されるように検出器の電極に適当な温度処理を行うことにより、システムのパフォーマンスが改善される。
【００５５】
過渡電流センサ３０は、検出プリアンプと、Pulse sharp discrimination法が可能なアンプシステムとを有している。Pulse sharp discrimination法は、デジタルストレージオシロスコープを用いることにより行われ、デジタルストレージオシロスコープは、イオン衝突またはノイズ信号によって引き起こされる全ての過渡現象をデジタル化する。デジタルストレージオシロスコープを、イオン衝突に従わない過渡現象を受け付けないように（リジェクト）することが出来る。
【００５６】
このdiscrimination法は、チャージ過渡信号を出力するために用いられるアンプにおいて、特殊な電子機器により行われる。Pulse sharp discrimination回路（例えばORTEC type 572）は、分光アンプに備えられた形で市販されており、積み重ねられたパルスが検出された際に、リジェクト信号を出力する。短時間に２つのイオン信号が出力されると、一方のパルスが歪んだ形状となる。積み重ねられたパルスは、ここで述べた戦略上、問題ではないが、これらのパルス形状に基づいて、大きいランダムノイズパルスを除去するために、同じような回路を用いることも可能である。
【００５７】
検出システムでチャージを引き起こしたいずれかのイオンビームの電気的なパルス高さは、シングルイオンが注入されたことを示すために用いられる。複数個のイオンをサブストレートの同一位置に注入しないように、イオンビームのターゲットチャンバーの上流に配置された静電偏向ユニットが、利用される。静電偏向ユニットは、１個のイオンの注入が検出された後に、イオンビームを偏向する。
【００５８】
まず、サブストレート及びシステムでは、例えば５５Ｆｅ（鉄）や５７Ｃｏ（コバルト）などの放射性源４０からのＸ線を照射することにより、測定が行われる。Ｘ線は、サブストレートを透過し、何らダメージを与えることなく、電離を可逆的な方法で引き起こす。図２は、この結果のグラフを示す。主ピーク５０は、５．９８９ｋｅＶの信号ピーク５１と、ノイズ信号５２とからなり、信号ピーク５１は、５５Ｆｅの崩壊生成物である５５Ｍｎ（マンガン）のＫαＸ線を示す。また５５ＭｎのＫβＸ線からの６．４ｋｅＶには、マイナーピークが存在する。ピーク５０は、Ｘ線が検出されたことを示している。
【００５９】
数１０ｋｅＶまでの３１Ｐイオンでは、酸化層の下の活性層に約１５％しかもたらされない残余の運動エネルギーにより、電子−ホールペア、即ち、信号が出力される。それでも、図３に示すノイズピーク６０は、システムが機能していることを明らかにしており、このスペクトラムは、１７、０００のイオン衝突が検出されたことを示している。ノイズ信号６１は、イオン検出回路をシールドする改善により、そのレベルが１ｋｅＶから０．５ｋｅＶ以下まで減少されるであろう。この応用例に対応した電子機器は市販されており、そのノイズレベルは、Ｋａｎｅデバイスに適した０．２ｋｅＶと見積もられる。
【００６０】
また、このシステムでは、シリコンサブストレートが、６０ｎｍ厚のレジストで覆われている。このレジストは、ナノ加工された２個のアパチャーを有しており、アパチャーには、１５ｋｅＶの３１Ｐイオンが入射される。この実験により、２個のシングル３１Ｐイオンが検出された。その証拠が、図４に示すスペクトラムにより示される。
【００６１】
図４では、ノイズ信号７１は、以前（に示した図２及び図３（ａ））よりも大きく、約３ｋｅＶであるため、トリガーレベルは、約３．４ｋｅＶに設定された。この実験では、トリガーレベルを、予測されるノイズのカウント数以上に調整するために、ビームをオフにしてノイズ信号を測定する必要があり、また、予測されるノイズのカウント数を少なくするために、入射を短時間で行う必要がある。最初のイオン衝突信号８０は、５０秒後に検出された。そして、もう１つのイオン衝突信号８１は、６８秒後に検出された。これらの結果は、それぞれ３．５５ｋｅＶ及び３．７１ｋｅＶであり、電子阻止能が平均より大きい一方、原子核阻止能が平均より小さい原子が、深く注入されたことを示している。この結果は、ノイズレベルを低下させることにより改善が可能であろう。
【００６２】
本発明を、特定の実施例について述べたが、多様な変更や改良が可能であることを正確に認識すべきである。従って、システム及び方法について各種の応用が可能である。
【００６３】
その他のデバイスでは形状が異なるであろう。即ち、５ｎｍ厚の酸化層について述べたが、必ずしもこれに限られない。またビームのエネルギー及び種類も、異なってもよい。
【００６４】
原子核の停止の過程で引き起こされた散乱により、３１Ｐ原子の位置について、縦横方向の許容誤差が導かれるであろう。また、Ｋｏｉｌｌｅｒ等の計算によると、シリコンマトリックスの電子の交換結合は、強い分離の性質を有している。これらの結果を補償するには、各キュービットに対応するゲートに、適当な電位を印加する必要があるであろう。これらのゲートは、ＮＭＲ（核磁気共鳴）パルスや他の信号により個々のキュービットを読み出すために、キュービットの周囲を変化させる。この操作の精度は、キュービットの位置の許容誤差と、特定のゲート電界によるキュービット間のクロストークの量に依存するであろう。ゲート電界はＴＣＡＤにより計算され、ＴＣＡＤは、キュービットの波動関数が計算される、シュレーディンガー方程式の解に対する電位を規定する。このデバイスの操作に必要な１０４より高い精度を、電極あたり１〜２Ｖより低い電位で、達成することが出来、この電位は、酸化バリアの絶縁破壊電界より低い。
【００６５】
イオンの領域を、確実にサブストレート内で必要な深度にするには、約１５ｋｅＶのイオンエネルギーが必要であり、この深度は、Ｋａｎｅデバイスの場合、約２０ｎｍである。プロトタイプの量子コンピュータの要素は、現在構築中であり、２つのアパチャーを有するマスクを介して注入するために、２個の不純物で構成される。２つのイオン衝突が示されると、それぞれのアパチャーに１個の不純物が挿入される確率は、５０％である。将来のデイバスでは、集束された３１Ｐビームを、セルから、イオンレジストレーション信号をゲートオンしたセルに移動させて作製されるであろう。イオンレジストレーション信号は、多数個のキュービットで、デバイスの規模を拡大するための道を与える。
【００６６】
我々は、デバイスの規模を拡大させるもう１つの道として、ＡＦＭのカンチレバーが一体化され、ナノ加工された移動自在なマスクを開発している。
【００６７】
サブストレートの表面を、シングル原子のアレイの領域を配置するために、レジストレーションマークでパターン化してもよい。従って、その表面にレジストレーションマークを配置させるために、ＡＦＭを用いて表面を走査させてもよい。最初の原子を注入すべき所望の位置上に配置されたアパチャーを用いて、カンチレバーのアームを再配置するために、カンチレバーの先端部と、ナノ加工されたアパチャーとの間のオフセットが用いられる。
【００６８】
精度の低いポジションシステムを、ＡＦＭのステージをイオンビームのコリメータの下の位置に移動させるために用いて、イオンビームを、カンチレバーの後方に照射して、ナノ加工されたアパチャーに照射することが出来る。
【００６９】
ファラデーカップを上流側に用いた場合、イオン源からのビーム電流が、数１０ｐＡに調整される。このビームは、ディフレクターユニットのスイッチングにより、カンチレバーを照射しないようになっている。従って、シングルイオン検出システムを用いて、ビーム電流が単位秒あたり、数１００個の原子に一致するように、このビームはサブストレートの重要でない隅に向けられている。
【００７０】
ディフレクターユニットをスイッチオフにすると、カンチレバーのアームにイオンビームが照射される。
【００７１】
サブストレートは、ＡＦＭのステージ４３が移動することにより、次の位置に移動される。いくつかの場合は、イオン衝突による表面の形態の変化により、ＡＦＭ３２を、イオンの衝突位置を描画するために用いることが出来る。従って、シングルイオンの注入が成功したことが確かめられる。なお、これは、ＭｅＶオーダの重イオンの場合である。
【００７２】
パフォーマンスを向上するためには、サブストレート内に引き起こされたチャージを、高い効率まで収集しなければならない。デバイスは、自由キャリア密度及び欠陥密度が低くなければならない。即ち、チャージキャリアのトラップが一点に集中する。サブストレートが冷却されると、自由キャリア、及び熱電離の作用からのノイズを少なくすることが出来る。自由キャリアがない場合は、チャージを確実に分離する高感度のボリュームで、高い電界を発生させた際に、漏れ電流を低く維持させてよい。低いキャリア密度のチャージキャリアのトラップが一点に集中し、チャージキャリアのドリフト速度が高いと、チャージが収集される間、トラップの集中のための損失が少なくなるであろう。更に、サブストレートは、高い絶縁破壊電界が望まれる。そのため、バイアスされたデバイスでは、高いキャリア速度を得ることが出来る。
【００７３】
デバイスのパルス高さは、しばしば減少して、以下の３つの理由のために、イオンエネルギーに対して非リニアの応答特性を示す。
【００７４】
１．ｅ−ｈペア（電子−ホールペア）の生成を導く電離が生じることのない原子核の停止に対する、イオンエネルギーの損失割合（パルス高さ欠陥−ＰＨＤ）。
２．チャージドリフトまたは拡散において、トラップが集中する際のチャージの損失。この損失は、重イオンにより生成された、密度の高いプラズマが電界をシールドする際に、増大する。
３．デッド層でのエネルギーの損失。ｋｅＶオーダのイオンを用いる際は、デッド層を出来る限り薄く維持しなければならない。
【００７５】
上記明細書で参照した文献は、以下のものである。
１．Kane, B. E., A silicon-based nuclear spin quantum computer, Nature, Vol.393, p. 133, [1998].
２．Vrijen, R., Yablonovitch, E., Wang, K., Jiang H.W., Balandin, A., Roychowdhury, V., Mor, T., and DiVincenzo, C. Phys. Rev. A62 (2000) 12306.
３．PCT Application No PCT/AU01/01056 in the name of Unisearch Limited field 24/08/01.
４．Luthi, R., Schlittler, R. R., Brugger, J., Vettiger, P., Welland, M. E., Gimzewski, J. K. Parallel nanodevice fabrication using a combination of shadow mask and scanning probe methods. Applied Physics Letters, Vol.75, Number 9, [1999].
５．Shinada, T., Kumura, Y., Okabe, J., Matsukawa, T., Ohdormar, I. Current status of single ion implantation. Journal of Vaccuum Science Technologies B, Vol. 16, Number 4, [1998], pp 2489-2493.
６．Koh, M., Igarashi, K., Sugimoto, T., Mausukawa, T., Mori, S., Arimura. T.,Ohodomori, I. Quantitative characterization of Si/SiO2 interface traps induced by energetic ions by means of single ion microprobe and single ion beam induced charge imaging. Applied Surface Science, 117/118, [1997], pp171-175.
７．SRIM - The Stopping and Range of ions in Solids, by J. F. Ziegler, J.P. Biersack and U. Littmark, Pergamon Press, New York, 1985
８．PRAWER, S., JAMIESON, D. N. and KALISH, R. - An investigation of carbon near the diamond/graphite/liquid triple point. Phys. Rev. Letts 69: 2991-2994 (1992)
９．ALLEN, M. G., PRAWER, S. AND JAMIESON, D. N. - Pulsed laser annealing of P implanted diamond. Appl. Phys. Lett. 63/15: 2062-2064 (1994).
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】図１は、イオン検出システムを示す概略図である。
【図２】図２は、イオン検出システムからのＸ線スペクトラムのグラフである。
【図３】図３（ａ）は、イオン検出システムからの１４ｋｅＶの３１Ｐイオンのパルス高さスペクトラムであり、図３（ｂ）は、衝突により発生した過渡現象を示すグラフである。
【図４】図４は、イオン検出システムからの、２個の１４ｋｅＶの３１Ｐイオン衝突を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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