CH627585A5

CH627585A5 - Ionenimplantationsgeraet mit steuerung des target-oberflaechenpotentials.

Info

Publication number: CH627585A5
Application number: CH368678A
Authority: CH
Inventors: John Lawrence Forneris; William Wallace Hicks; John Howard Keller; Charles Michael Mckenna; James Anthony Siermarco
Original assignee: Ibm
Priority date: 1977-05-05
Filing date: 1978-04-06
Publication date: 1982-01-15
Also published as: JPS53136798A; SE430188B; DK194178A; AU3424778A; US4135097A; SE7804119L; DK153613B; BE865670A; DK153613C; ES469457A1; BR7802842A; CA1089113A; JPS5843861B2; AU511889B2

Description

627585

PATENTANSPRÜCHE

1. Ionenimplantationsgerät mit Steuerung des Target-Oberflächenpotentials, mit an das Target angrenzenden Wänden, die den Strahl umgeben und zusammen mit dem Target einen Faradayschen Käfig bilden, gekennzeichnet, durch wenigstens eine Elektronenquelle (33,133) zur Erzeugung einstellbarer Elektronenmengen innerhalb des Faradayschen Käfigs, durch Mittel (39) zur Messung des Targetstromes sowie durch Mittel (38) zur Messung des Wandstromes zwecks Bestimmung des Ionenstrahlstromes sowie des Targetoberflächenpotentials.

2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel (Vw) zur Erzeugung einer negativen elektrischen Vorspannung der Wände (27,127) in Bezug auf das Target (23,123).

3. Gerät nach Anspruch 2, worin der Faradaysche Käfig eine Rückwand (28) aufweist, die von den Seitenwänden (27) elektrisch isoliert ist (37), gekennzeichnet durch Mittel (Vp) zur Erzeugung einer negativen Vorspannung der Rückwand (28) gegenüber den in der Nähe des Targets (23) angeordneten Seitenwänden (27).

4. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (27,127) des Faradayschen Käfigs so ausgebildet sind (36,136), dass die Elektronenquelle (33,133) das Target (23,123) nicht auf geradem Wege bestrahlen kann.

5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenquelle (33,133) eine Glühelektrode (35,135) aufweist.

6. Gerät nach Anspruch 3, gekennzeichnet, durch Mittel (Vf) zur Erzeugung einer Vorspannung der Elektronenquelle (33,133), die positiv in Bezug auf die Rückwand (28) und negativ in Bezug auf die Seitenwände (27) ist.

7. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugten Elektroden am Austritt durch das Ionenstrahlein-trittsfenster (26) des Faradayschen Käfigs durch ein senkrecht zur Strahlrichtung angeordnetes Magnetfeld (41,42) gehindert werden.

8. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den die Elektronenquellen (133) umgebenden Wänden (127) des Faradayschen Käfigs von einem Kühlmittel durchströmte Kühlkanäle (150) angeordnet sind.

Das vorliegende Gerät ist dazu eingerichtet, das Oberflächenpotential des Targets, insbesondere eines Targets, dessen mit Ionen beschossene Oberfläche aus einem elektrisch isolierenden Stoff besteht, zu steuern.

Ionenimplantationsverfahren werden bei der Herstellung integrierter Halbleitervorrichtungen, insbesondere bipolarer, integrierter Schaltungen, immer häufiger benützt. Dabei besteht der Wunsch, einmal stets höhere Implantationsdosierungen in stets kürzeren Zeiten einzubringen und zum anderen, durch stets kleinere Öffnungen, in der Grössenordnung unterhalb 20 |im, Dotierungsstoffe einzubringen. Da die Dosierung der Implantation vom Strom und von der Zeit abhängt, müssen, um kurze Zeiten zu erreichen, die Implantationsstrahlen hohe Ströme führen. Praktisch liegt die Stromstärke oberhalb 0,5 mA. Es zeigt sich, dass bei der Implantation leitfähigkeitsbestimmender Dotierungen mit derart hohen Strömen durch 2-20 p.m weite Öffnungen in isolierenden Schichten die Gefahr besteht, dass die isolierenden Schichten sowie die exponierten Halbleiterflächen beschädigt werden. Dadurch entstehen Kurzschlüsse und die integrierten Schaltungen werden unbrauchbar.

Die Beschädigung beruht vermutlich auf einem elektrischen Durchschlag infolge eines hohen Potentials, das sich auf der isolierenden Schicht aufbaut und das von den positiven

Ionen herrührt, aus welchen der primäre Ionenstrahl besteht. Die Potentialbildung tritt besonders leicht bei Strahlen hoher Stromstärke auf, die eine hohe Dichte positiver Ionen enthalten. Vermutlich sind die positiven Ionen in Strahlen so hoher Stromstärke so dicht, dass die Wolke wandernder Elektronen, die infolge des Ionenbeschusses, z. B. durch Sekundärelektro-nenmission, vom umgebenden Material und in der Folge der neutralen Gasionisation produziert wird, ungenügend ist, um die Ladung, die auf dem Target durch die positiven Ionen erzeugt wird, auszugleichen.

Die Vorstellung des positiven Ionenstrahles und die Wirkung der Sekundärelektronenwolke ist im einzelnen erwähnt in den USA-Patenten 3 997 846,4 011 449 und 4 013 891, sowie von W.C. Ko in «High Current Electron Scanning Method for Ion Beam Writing», IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 18, Nr. 6, November 1975, Seiten 1832-1835. Ebenso sei verwiesen auf R.G. Wilson und G. R. Brewer: «Ion Beams with Application to Ion Implantation», John Wiley & Sons, New York, 1973, Seiten 132-143.

Ausserdem scheint es, dass, wenn die Öffnungen, durch welche die Ionen implantiert werden sollen, sehr klein, z. B. unterhalb 20 [im weit sind, die Sekundärelektronen, die normalerweise durch das Auftreten positiver Ionen auf die Halbleiterfläche erzeugt werden, unterdrückt werden, ein Umstand, der weiter beiträgt zur Ansammlung positiver Ionen auf der Isolatoroberfläche. Diese Erscheinung ist beschrieben in der USA-Patentschrift 4 076 558.

Die beschriebenen Probleme treten nicht nur bei der Ionenimplantation durch sehr kleine Öffnungen in Isolierschichten auf, sondern auch bei der mit Strahlen hohen Stroms durchgeführten Implantation durch dünne, isolierende Schichten oberhalb des Halbleitermaterials hindurch.

Im Stand der Technik wurde vorgeschlagen, dem Aufbau von Ladungen auf der Oberfläche durch direkte Bestrahlung der Oberfläche des Isolationsmaterials mit Elektronen in genügender Quantität entgegenzuwirken, wodurch ein negatives Potential erzeugt wird, das die positive, durch den Ionenstrahl hervorgerufene Ladung kompensiert. Eine derartige direkte Methode hat aber wesentliche Nachteile. Zum einen ist die Elektronenquelle üblicherweise ein geheizter Glühfaden oder sonstiges Metallteil oder ein Plasma. Derartige Quellen können durch Material, das infolge des Ionenbombardements aus dem Target herausgeschlagen wird, verunreinigt sein. Zum anderen beeinflusst die Wärme, die eine derartige Quelle erzeugt, das Target. Wenn beispielsweise das Target mit einer elektrisch isolierenden Schicht wie Fotolack bedeckt ist, wird diese durch die Wärme beschädigt.

Da es ausserdem erforderlich ist, den Strom des Ionenstrahles zu messen und zu regeln, ist es insbesondere bei hohen Strahlströmen erwünscht, die Steuerung des Oberflächenpotentials des Targets mit der Einrichtung zur Messung des Strahlstromes zu verbinden.

Es soll daher hier ein Ionenimplantationsgerät beschrieben werden, bei dem der Aufbau positiver Ladungen auf der Targetoberfläche klein gehalten wird. Der Ladungsaufbau soll insbesondere klein bleiben, wenn die Oberfläche aus Isoliermaterial besteht. Auch soll das Gerät so beschaffen sein, dass durch die zusätzlichen Anordnungen die Gefahr der Verunreinigung des Targets nicht vergrössert wird. Es soll weiterhin so ausgebildet sein, dass eine Isolierschicht, die die Oberfläche des Targets bildet, oder Substratzonen des Targets, die an der Oberfläche liegen, infolge des Aufbaus elektrischer Ladung nicht beschädigt werden können.

Die vorgenannten Ziele werden erreicht durch eine Anordnung gemäss Patentanspruch 1.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Die Zeichnungen zeigen:

2

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

Fig. 1 Prinzipdarstellung eines Ionenimplantationsgerätes,

Fig. 1A einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 1,

Fig. 2 Einzelheiten der Strahlenstrommess- und Steuereinrichtung,

Fig. 3A Vorderansicht eines Teils der Anordnung gemäss 5 Fig. 2,

Fig. 3B Querschnitt des Teiles gemäss Fig. 3A.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des Ionenimplantationsgeräts. Die gestrichelte Linie 10 umgibt die Anordnung zur Messung des Ionenstrahlstromes und zur Steuerung des 10 Targetoberflächenpotentials. Teile des Gerätes ausserhalb der Linie 10 sind nur schematisch dargestellt und sind an sich bekannt, vergleiche z. B. USA-Patent 3 756 862. Das Gerät nach Fig. 1 enthält eine übliche Ionenquelle 12, die durch eine beliebige Quelle hoher Dichte gebildet sein kann. Im Ausführungs- 15 beispiel ist eine Elektronenaufschlagsquelle mit Heizfaden gezeigt, die mit oszillierender Entladung arbeitet. Ein Ionenstrahl wird von der Elektrode 16 durch die Blende 15 entnommen. Die Beschleunigungselektrode 16 liegt am negativen Pol der Verlangsamungsspannungsquelle. Die Quellenelektrode 17 20 führt in Bezug auf den Heizfaden 12 eine positive Spannung, die von der Anodenspannungsquelle geliefert wird. Die Bremselektrode 18 liegt elektrisch an Erde. Der Fachmann weiss, wie die beschriebenen Spannungen je nach Betriebsart einzustellen sind. 25

Der Strahl, der die Ionenquelle verlässt, bewegt sich entlang dem Weg 19 bis zu einem Analysatormagneten 20 üblicher Bauart. Die ebenfalls bekannten Blenden 21 und 22 auf jeder Seite des Magneten formen den Strahl. Die Strahlformungsblende 24 ist ebenfalls bekannt. Schliesslich durchläuft der 30 Strahl die Blende 26 und trifft darauf das Target 23. Soweit bisher beschrieben, gehört das Gerät dem Stand der Technik an. Die noch zu beschreibende Anordnung zur Steuerung des Tar-getoberflächenpotentiales und zur Messung des Ionenstrahlstromes ist in Fig. 1A im Detail dargestellt. Es handelt sich 35 dabei um einen abgewandelten Faradayschen Käfig, wie er im USA-Patent 4 011449 beschrieben ist, zur Messung des Strahlstromes. Der Käfig besteht aus dem Target 23, den Wänden 27 und der Rückwand 28, die den Ionenstrahl 29 umgeben. Das Target 23 besteht aus dem Halter 30, der eine Anzahl von Halb- 40 leiterscheiben 31 aufnimmt. Der Scheibenhalter ist drehbar und verschiebbar, z. B. gemäss der Einsteilvorrichtung des USA-Patentes 3 778 626, um gleichmässige Verteilung des Ionenstrahls 29 auf der Oberfläche aller Scheiben 31, die auf dem Halter 30 montiert sind, zu gewährleisten. Selbstverständlich 45 könnte der beschriebene Faradaysche Käfig auch mit einem feststehenden Target 23 zusammenarbeiten. Der Faradaysche Käfig ist zusammen mit dem Target in einem passenden Gefäss eingebaut, das das hohe Vakuum ermöglicht, welches die Ionenstrahlimplantation erfordert. 50

Die Wände 27 müssen vom Target 23 elektrisch isoliert sein. Sie sind daher in der Abbildung von diesem getrennt gezeichnet. Die Wände 27 liegen elektrisch gegenüber dem Target 23 auf einer negativen Spannung, die von der Quelle Vw erzeugt wird. Das Target ist über Leitung 32 geerdet. Die Elek- 55 trodenquellen 33 und 33' sind herkömmlicher Art und können einstellbare Mengen von Elektronen 34 in den Ionenstrahl 29 einführen. Dadurch werden positive Ladungen, die sich auf der Oberfläche der Scheibe 31 aufbauen können, neutralisiert. Die Schwierigkeiten, die durch den Aufbau solcher Ladungen, ins- 60 besondere bei hohen lonenstrahlströmen, d. h. Strömen oberhalb 0,5 mA auf Scheiben, deren isolierte Oberfläche nur sehr kleine Öffnungen oder überhaupt keine Öffnungen aufweist, wurden weiter oben beschrieben. Die Elektronenquelle 33 und 33' können z. B. geheizte Glühfäden sein. Auch Plasmastrek- 65 ken, Elektronenkanonen mit oder ohne magnetische Felder oder Feldemissionselektroden sind verwendbar. Der Glühfaden 35 wird mittels einer üblichen, nicht dargestellten Strom627585

quelle geheizt, und die Heizung ist regelbar, um die Emission von Elektroden einstellen zu können. Der Glühfaden erhält vorteilhafterweise eine negative Vorspannung VF gegenüber den Wänden 27. Es ist wesentlich, dass die Elektrodenquellen 33 und 33' in Vertiefungen der Wände 27 liegen, derart dass keine Sichtverbindung zwischen diesen Fäden und irgendwelchen Teilen des Targets besteht. Die Partien 36 der Wände 27 wirken hier als Abschirmung.

Die Rückwand 28 ist von den beiden Wänden durch die Isolation 37 getrennt. Die Spannungsquelle VP versorgt die Rückwand mit negativer Spannung gegenüber den Seitenwänden 27 und den Heizdrähten 35. Die verschiedenen Vorspannungen sorgen dafür, dass die in den Ionenstrahl eingeführten Elektroden 34 und die Sekundärelektronenwolke, die den Ionenstrahl begleitet und im Faradayschen Käfig zwischen der Rückwand 28, den Seitenwänden 27 und dem Target 23 eingeschlossen sind, sich auf das Target zu bewegen. Wenn das Gerät bei einer Energie in der Grössenordnung von 50 keV mit Ionen, wie z. B. Arsen, und einem Strahlstrom in der Grössenordnung von 0,5 m A oder höher betrieben wird, und wenn das Target auf Erdpotential Hegt, sollen die Seitenwände 27 etwa -50 Volt, die Vorspannung der Heizfäden 35 60-100 Volt, und die Rückwand 28 etwa -200 Volt aufweisen. Der Strahlstrom bestimmt sich durch Kombination der Ströme aller Elemente, d. h. des Stromes vom Target 23, der Seitenwände 27 und der Rückwand 28 im Ampèremeter 38, wie im USA-Patent 4011 449 beschrieben. Gleichzeitig kann der Targetstrom allein am Ampèremeter 39 beobachtet werden, da mit seiner Hilfe die Elektroden 34, die von den Heizfäden 35 aus in den Strahl 29 gelangen, einzustellen sind. Wie schon erwähnt, werden positive Ladungen auf der Targetoberfläche am besten vermieden, wenn der Targetstrom entweder Null oder leicht negativ ist.

In der Anordnung nach Fig. 1A sorgt die negative Spannung der Rückwand 28 dafür, dass möglichst wenig Elektroden den Faraday-Käfig durch die Öffnung der Rückseite verlassen. In der Ausführungsart gemäss Fig. 2 kann die Rückwand 28 ersetzt werden durch ein magnetisches Feld, das senkrecht auf dem Ionenstrahl steht und durch die Magnete 41 und 42 erzeugt wird. Das Magnetfeld hindert bekanntlich die Elektronen daran, den Faraday-Käfig parallel zum Ionenstrahl 26 zu verlassen.

Bei der Ionenimplantation gewisser Dotierungsstoffe, wie Arsen, die bei normalen Arbeitstemperaturen bereits verdampfen, können Schwierigkeiten entstehen wegen der Verunreinigung des Targets mit Arsen. Bei üblicher Arbeitsweise würde das verdampfte Arsen sich auf den Wänden des Faraday-Käfigs in der Nähe des Targets niederschlagen. Bei der vorliegenden Anordnung jedoch, wo die Elektronenquellen 35 Temperaturen zwischen 1500 und 2700 °C aufweisen, werden die Wände 27 und insbesondere die Abschirmpartien 36 ziemlich heiss. Da die Temperatur der Wände jedenfalls höher liegt als die des Targets, wird der Arsendampf sich auf der Halbleiterscheibe, die die Targetoberfläche bildet, niederschlagen. Dieser Niederschlag stört das Verfahren und insbesondere die Arsendotierung, wie sie aus den Messwerten der Ionenimplantation bestimmt wird. Es ist zu beachten, dass der Arsendampf nicht in ionisiertem Zustand, sondern im wesentlichen neutral ist, und daher bei den Messungen des Ionenstrahls nicht bemerkt wird. Da er sich jedoch auf der Scheibenoberfläche niederschlägt, diffundiert er später bei der nachfolgenden Wärmebehandlung in diese ein. Die Arsendotierung der Halbleitervorrichtung wird daher höher ausfallen als erwünscht.

Arsen, das sich möglicherweise bei früheren Operationen auf den Wänden niedergeschlagen hat, wird nun verdampfen und kann die Dotierung der bearbeiteten Halbleitervorrichtungen verfälschen.

Um diese Schwierigkeit zu beseitigen, wird anderorts vorgeschlagen, die Abschirmung und die Wände der Vorrichtung

627585

4

zu kühlen. Eine gekühlte Ausführung ist im Querschnitt in Fig. 3B dargestellt. Fig. 3A ist eine Ansicht von der Targetseite her entlang der Achse des Ionenstrahls. Da die Anordnung der Fig. 3A und 3B im wesentlichen gleich sind, wie die der Fig. 1 und 1A, sind ihre Elemente mit denselben Hinweiszahlen bezeichnet, wobei aber in Fig. 3 die Ziffer 1 vorangestellt ist. Es brauchen daher nicht alle Teile neu beschrieben zu werden.

In Fig. 3A und 3B sollen die Scheiben 131 mit dem Ionenstrahl 129 implantiert werden. Die Scheiben sind auf dem Targethalter 130 der Targetvorrichtung 123 befestigt. Die Seitenwände 127 sind abgeändert und enthalten Kühlkanäle 150, die mit der Eingangsleitung 151 verbunden sind, durch welche ein Kühlmittel in das System eintritt, die es durch den Auslass 152 wieder verlässt. Zur Kühlung kann Pressluft oder ein Fluorkohlenstoff verwendet werden, der die Wände 127 und insbesondere die Abschirmpartien 136 durchfliesst, damit die Temperatur derselben unterhalb der Targettemperatur bleibt und nicht von den Heizdrähten 135 her aufgeheizt wird. Das Kühlmittel muss elektrisch isolierend sein, damit die gemessenen Werte, die Strahlstrom und Targetoberflächenpotential, nicht beein-flusst werden. Ebenso müssen die äusseren Teile des Kühlsy-5 stems elektrisch isoliert sein. Die Anschlüsse 153 in Fig. 3A sind darum aus Isoliermaterial hergestellt.

In Fig. 3A ist ein Teil der Anordnung in geöffneten Zustand gezeigt, um die Anordnung der Heizdrähte 135 der Elektronenquelle 133 in bezug auf das Strahlenfenster 129' zu zeigen. Im io übrigen arbeitet die Anordnung der Fig. 3 gleich wie die der Fig. 1.

Mit der in Fig. 3 beschriebenen Kühleinrichtung kann die Temperatur der Wände 136 im Betrieb unterhalb 100 °C gehalten werden, obwohl die Heizfäden 135 zwischen 1500 und 15 2700 °C warm sind. Das Target, das hauptsächlich durch den Ionenstrahl erwärmt wird, erreicht eine höhere Temperatur von etwa 150 °C.

G

3 Blatt Zeichnungen