DE102016015823B3 - Verfahren zur Ionenimplantation - Google Patents

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Abstract

Verfahren, das aufweist:Implantieren von Ionen in einen Wafer durch Bestrahlen des Wafers mit einem lonenstrahl über eine Implantationsvorrichtung, die einen Filterrahmen und ein durch den Filterrahmen gehaltenes Filter aufweist, wobei das Filter dazu ausgebildet ist, von dem lonenstrahl durchstrahlt zu werden, und wobei das Filter ein Energiefilter ist, das als mikrostrukturierte Membran ausgebildet ist,wobei die Filterfläche größer als die Fläche des Wafers ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Implantationsanordnung mit einem Energiefilter (Implantationsfilter) für eine Ionenimplantation und dessen Verwendung und ein Implantationsverfahren.
  • Mittels Ionenimplantation kann eine Dotierung bzw. die Erzeugung von Defektprofilen in beliebigen Materialien, wie etwa Halbleitern (Silizium, Siliziumcarbid, Galliumnitrid) oder optischen Materialien (LiNbO3), mit vordefinierten Tiefenprofilen im Tiefenbereich von wenigen Nanometern bis hin zu einigen 100 Mikrometern erreicht werden. Wünschenswert ist es dabei insbesondere Tiefenprofile zu erzeugen, die durch eine größere Tiefenverteilungsbreite charakterisiert sind als die Breite eines durch einen monoenergetischen Ionenstrahlung erzeugbaren Dotierkonzentrationspeaks oder Defektkonzentrationspeaks, oder Dotier- oder Defekttiefenprofile zu erzeugen, welche durch eine oder einige wenige einfache monoenergetische Implantationen nicht erzeugt werden können.
  • 1 zeigt ein aus [7] bekanntes Verfahren zur Erzeugung eines Tiefenprofils. Hierbei erfolgt eine Implantation durch ein strukturiertes Energiefilter in einer Anlage zur Ionenimplantation zum Zwecke der Waferprozessierung. Dargestellt ist das Implantationsverfahren und die aus der Implantation resultierende Dotierstoffverteilung bzw. Defektverteilung in dem Wafer nach der Prozessierung.
  • 1 zeigt das Grundprinzip des Energiefilters. Ein monoenergetischer Ionenstrahl wird beim Durchtritt durch die mikrostrukturierte Energiefilterkomponente abhängig vom Eintrittsort in seiner Energie modifiziert. Die resultierende Energieverteilung der Ionen führt zu einer Modifikation des Tiefenprofils des implantierten Stoffes in der Substratmatrix.
  • 2 zeigt eine Anlage zur Ionenimplantation. Diese Anlage umfasst eine Implantationskammer (Implantation chamber), in der mehrere Wafer auf einem Waferrad angeordnet werden können. Das Waferrad dreht sich während der Implantation, so dass die einzelnen Wafer immer wieder eine Strahlöffnung (Beam opening) passieren in der das Energiefilter angeordnet ist und durch die der Ionenstrahl in die Implantationskammer, und damit in die Wafer gelangt.
  • 2 zeigt links ein Waferrad auf welchem die zu implantierenden Substrate fixiert werden. Bei der Prozessierung/Implantation wird das Rad um 90° nach gekippt und in Rotation versetzt. Das Rad wird somit in konzentrischen Kreisen durch den in grün angedeuteten Ionenstrahl mit Ionen „beschrieben“. Um die gesamte Waferfläche zu bestrahlen, wird das Rad während der Prozessierung vertikal bewegt. Rechts zeigt 2 ein montiertes Energiefilter im Bereich des Strahlaustritts.
  • Die in 3 gezeigten Layouts bzw. dreidimensionalen Strukturen von Filtern zeigen die prinzipiellen Möglichkeiten mittels Energiefilter eine Vielzahl von Dotierstofftiefenprofilen zu erzeugen. Die Filterprofile können im Prinzip miteinander kombiniert werden um neue Filterprofile und somit Dotiertiefenprofile zu erhalten. Dargestellt sind jeweils Querschnitte des Energiefilters (in den Figuren jeweils ganz links), Draufsichten auf die Energiefilter und Verläufe der erreichten Dotierungskonzentration über die Tiefe des Wafers. Die „Tiefe“ des Wafers ist eine Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Wafers, in die implantiert wird.
  • 3 ist eine schematische Darstellung verschiedener Dotierprofile (Dotierkonzentration als Funktion der Tiefe im Substrat) für unterschiedlich geformte Energiefiltermikrostrukturen (jeweils in Seitenansicht und Aufsicht dargestellt). (a) Dreiecksprismenförmige Strukturen erzeugen ein rechteckförmiges Dotierprofil, (b) Kleinere dreiecksprismenförmige Strukturen erzeugen ein weniger tiefenverteiltes Dotierprofil, (c) Trapezprismenförmige Strukturen erzeugen ein rechteckförmiges Dotierprofil mit einem Peak am Profilbeginn. (d) Pyramidenförmige Strukturen erzeugen ein dreiecksförmiges, in die Tiefe des Substrates ansteigendes Dotierprofil.
  • Bisher bekannte Energiefilter (Implantationsfilter) bzw. Energiefilterelemente sind aus verschiedenen Gründen nicht geeignet um hohe Durchsätze, d.h. viele Wafer pro Stunde, zu erreichen. Wünschenswert ist es insbesondere, hohe Waferdurchsätze pro Stunde, einfache Handhabbarkeit, einfache Herstellung und die Realisierung beliebiger Profilformen.
  • Aus der Literatur sind statische oder beweglich montierte Filter bekannt, welche monolithisch, d.h. aus einem Materialblock hergestellt sind und einzeln zum Ionenstrahl montiert sind [2], [4], [5], [6], [7], [8],[9], [10].
  • Im Gegensatz zu Silizium können dotierte Gebiete in SiC-Wafern i.a. nicht durch Ausdiffusion von Dotierprofilen in ihrer Form verändert werden[2],[4], [5], [6]. Der Grund liegt in den auch bei hohen Temperaturen sehr geringen Diffusionskonstanten der gängigen Dotanten (Dotierstoffe), wie Al, B, N, P. Diese liegen viele Größenordnungen unter den Vergleichswerten von beispielsweise Silizium.
  • Aufgrund dieser Tatsache ist es bislang nicht möglich, Dotiergebiete, insbesondere solche mit hohen Aspektverhältnissen, d.h. kleinen Verhältnis von Grundfläche zu Tiefe, wirtschaftlich zu realisieren.
  • Dotiertiefenprofile in Halbleiterwafern können durch insitu-Dotierung während der epitaktischen Abscheidung oder durch (maskierte) monoenergetische Ionenimplantation hergestellt werden. Bei einer insitu-Dotierung können hohe Ungenauigkeiten auftreten. Selbst bei homogenen Dotierprofilen sind prozessbedingt auf dem Wafer, d.h. von Mitte zu Rand signifikante Abweichungen von der Zieldotierung zu erwarten. Für Gradiententiefenprofile erstreckt sich diese Ungenauigkeit auch auf die vertikale Richtung des Dotiergebietes, da nun die lokale Dotierstoffkonzentration von einer Vielzahl von Prozessparametern wie etwas Temperatur, lokale Dotiergaskonzentration, Topologie, Breite der Prandtl'schen Grenzschicht, Aufwachsrate etc. abhängt. Der Einsatz monoenergetischer Ionenstrahlen bedeutet, dass viele Einzelimplantationen durchgeführt werden müssen um Dotierprofile mit akzeptablen vertikalen Welligkeiten zu erhalten. Dieser Ansatz ist nur bedingt skalierbar, er wird sehr schnell wirtschaftlich unrentabel.
  • Beispiele der Erfindung betreffen die Ausgestaltung eines Energiefilterelements für Ionenimplantationsanlagen, sodass dieses den Anforderungen, die sich aus der Anwendung des Energiefilterelements bei der industriellen Produktion von Halbleiterbauelementen, insbesondere für Bauelemente auf Basis von SiC Halbeitermaterial, ergeben, entspricht. Produktionsbedingungen definieren sich im Hinblick auf den Einsatz von Energiefilterelementen beispielsweise durch folgende Aspekte:
  • Technisch einfacher Filterwechsel
  • In einem produktiven Umfeld, d.h in einer Fabrik, wird die Produktion auch an Ionenimplantern durch gewerbliche Mitarbeiter („Operator“), die in den meisten Fällen keine Ingenieursausbildung durchlaufen haben, durchgeführt.
  • Das Energiefilter ist eine höchst fragile mikrostrukturierte Membran, deren zerstörungsfreies Handling schwierig ist. Für den wirtschaftlichen Einsatz der Filtertechnik sollte gewährleistet sein, dass nach einer kurzen Einweisung auch Nicht-Fachleute (im Sinne von Nicht-Ingenieure) in der Lage sein müssen den Filter nach Verschleiß oder im Sinne eines Werkzeugwechsels an der Implanteranlage auszutauschen.
  • Beliebige Vertikale Profilformen
  • Neuartige Halbleiterbauelemente wie z.B. Superjunction Bauelemente oder optimierte Diodenstrukturen bedingen einen nicht gleichförmigen Dotierverlauf. Die einfachen in [2] und [4- 6] beschriebenen Energiefilter erzeugen jedoch lediglich konstante Profile. Kompliziertere Filterstrukturen wie z.B. in [8] beschriebene Strukturen sind technisch sehr aufwändig und gemäß dem Stand der Technik für produktive Aufgaben schwer realisierbar. Es stellt sich die Aufgabe, komplizierte vertikale Profilformen mit unkomplizierten, d.h. einfach herstellbaren Filterstrukturen zu realisieren.
  • Hoher Durchsatz -Kühlsysteme in Kombination mit Filterbewegung
  • Produktionsbedingungen bedeuten beispielsweise, dass an Ionenimplantern (typische Terminalspannung an Tandembeschleunigern > 1MV bis 6MV) pro Stunde mehr als typisch 20-30 Wafer mit 6" Durchmesser und Flächendosen pro Wafer von ca. 2E13cm-2 erzeugt werden sollen. Um für diesen Fall die geforderte Anzahl an Wafern produzieren zu können müssen Ionenströme von mehr als 1pµA bis hin zu einigen 10pµA zum Einsatz kommen bzw. es werden Leistungen von mehr als einigen Watt, z.B. 6W/cm-2 auf dem Filter (typische Fläche 1-2cm2) deponiert. Dies führt zur Erwärmung des Filters. Es stellt sich die Aufgabe, den Filter durch geeignete Maßnahmen zu kühlen.
  • Einfache, kostengünstige Herstellung der Filterstrukturen für den Fall homogener konstanter Tiefenprofile
  • Filterstrukturen können mittels anisotropem nasschemischem Ätzen hergestellt werden. In der einfachsten Ausbildung bestehen die Filterstrukturen aus geeignet dimensionierten dreiecksförmigen langen Lamellen (z.B. 6µm hoch, 8,4µm Abstand, Länge einige Millimeter), die periodisch auf einer möglichst dünnen Membran angeordnet sind. Hierbei ist die Herstellung von spitzen dreiecksförmigen Lamellen kostenintensiv, da die nasschemische anisotrope Ätzung genau eingestellt werden muss. Spitze, d.h. nicht trapezförmige Lamellen sind aufwändig, da für spitze Lamellen Ätzraten und Ätzzeiten genau aufeinander abgestimmt sein müssen. In der Praxis führt das zu hohem Aufwand bei der Prozesskontrolle während der Ätzung und es führt aufgrund der zu erwartenden ungleichmäßigen Prozessierung (Ätzraten nasschemischer Prozesse sind niemals perfekt reproduzierbar und sind niemals homogen über größere Flächen) auf einem Chip mit vielen hundert Lamellen zu Ausbeuteverlusten, d.h. nicht perfekt strukturierten Filterelementen. Es stellt sich die Aufgabe, eine einfache und kostengünstige Energiefilterproduktion zu realisieren.
  • Hohe laterale Homogenität des erzeugten Dotier- bzw. Defektgebietes
  • Die in den genannten Druckschriften [2], [4], [5], [6], [7], [8],[9], [10] beschriebenen Energiefilter für Ionenimplantation haben eine interne 3-dimensionale Struktur, die zu Weglängenunterschieden der Ionen bei Transmission durch den Filter führt. Diese Weglängenunterschiede erzeugen, abhängig von Bremsvermögen des Filtermaterials, eine Modifikation der kinetischen Energie der transmittierten Ionen. Ein monoenergetischer Ionenstrahl wird somit in einen Strahl von Ionen mit unterschiedlicher kinetischer Energie umgewandelt. Die Energieverteilung wird durch die Geometrie und die Materialien des Filters bestimmt, d.h., die Filterstruktur wird ionenlithographisch in das Substrat übertragen.
  • Überwachung des „End of Life“ für den Energiefilter
  • Aufgrund der nuklearen Wechselwirkung der Ionenstrahlen mit dem Filtermaterial und aufgrund der thermischen Belastung ergibt sich spezifisch für jeden Ionenimplantationsprozess mit Energiefilter eine typische Lebensdauer des Filters. Für einen Energiefilter aus Silizium, mit ca. 2µm Stützschicht, 8µm regelmäßigen Zackenstrukturen und einem Implantationsprozess von 12MeV Stickstoff mit Strömen um 0.1pµA ergibt sich eine ungefähre maximale Produktionsmenge von ca. 100 Wafern (6").
  • Für den Maschinenbediener und zur Absicherung des Filterherstellers sollte die Gesamtzahl der mit einem spezifischen Filter bearbeiteten Wafer überwacht werden.
  • Einschränkung der Winkelverteilung der transmittierten Ionen
  • Für die Herstellung von maskierten, d.h. in ihrer lateralen räumlichen Ausdehnung eingeschränkten, Dotiergebieten insbesondere in Fällen von hohen Aspektverhältnissen muss das Winkelspektrum der transmittierten Ionen eingeschränkt werden um eine „Unterimplantation“ der maskierenden Schicht zu vermeiden.
  • Geringer Filterverschleiß durch Sputtereffekte
  • Vermeidung von Channelingeffekten (Gitterführungseffekte) durch die Anordnung des Filters zum Ionenstrahl
  • Realisierung komplexer Dotierstofftiefenprofile durch einfache Filtergeometrie
  • Elektronenunterdrückung bei Verwendung des Filters
  • Es ist bekannt, dass bei der Transmission von Ionen durch einen Festkörper die Ionen hinsichtlich ihrer elektrischen Ladung einen Gleichgewichtszustand einnehmen. Elektronen des Primärstrahls können im Festkörper abgegeben oder aufgenommen werden, d.h. die transmittierten Ionen haben abhängig von den Eigenschaften des Filtermaterials und der Primärenergie nach Durchgang durch den Filter im Mittel einen höheren oder niedrigeren Ladungszustand [26]. Dies kann zu positiver oder negativer Aufladung des Filters führen.
  • Gleichzeitig können durch den Ionenbeschuss, sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite des Filters Sekundärelektronen mit hoher kinetischer Energie erzeugt werden.
  • Bei hohen Stromdichten, wie sie in der industriellen Produktion gefordert werden, wird sich das Energiefilter aufheizen, siehe 34. Aufgrund thermoionischer Elektronenemission (Richardson-Dushman Gesetz) werden abhängig von der Temperatur und der Austrittsarbeit des Filtermaterials thermische Elektronen erzeugt.
  • Der Abstand (im Hochvakuum) des Ionenbeschleunigers zwischen Filter und Substrat beträgt typischerweise nur einige Zentimeter oder weniger. D.h. durch Diffusion thermischer Elektronen (aus thermoionischer Emission) und durch Einwirkung schneller Elektronen (aus Ionenbeschuss) wird die Messung des Ionenstroms am Substrat, beispielsweise durch einen dort angebrachten Faraday Cup, verfälscht.
  • Alternative Herstellmethoden durch Spritzguss-, Guss- oder Sinterverfahren
  • In den Druckschriften [2] und [4 - 12] werden für die Herstellung des Energiefilters mikrotechnische Verfahren vorgeschlagen. Insbesondere wird beschrieben, dass zur Herstellung der Filter Lithographieverfahren in Kombination mit nasschemischen oder trockenchemischen Ätzverfahren zum Einsatz kommen. Bevorzugt wird für die Filterherstellung auf das anisotrope nasschemische Ätzverfahren mittels alkalischer Ätzmedien (z.B. KOH oder TMAH) in Silizium zurückgegriffen.
  • Bei Filtern, die nach dem letztgenannten Verfahren hergestellt werden, wird die funktionale Filterschicht aus einkristallinem Silizium hergestellt. Somit muss beim Beschuss mit energiereichen Ionen immer davon ausgegangen werden, dass prinzipiell Channelingeffekte den effektiven Energieverlust in der Filterschicht in schwer kontrollierbarer Weise beeinflussen.
  • Anordnung zur Bestrahlung eines statischen Substrates
  • Es soll eine Bestrahlungsanordnung genutzt werden, die es erlaubt, ein statisches Substrat energiegefiltert mit hoher lateraler Homogenität über die gesamte Substratfläche zu bestrahlen. Grund: Endstations von Bestrahlungsanlagen verfügen häufig über keinen vollmechanischen Scan des Wafers (Waferwheel) unter Verwendung eines punktförmigen bzw. nahezu punktförmigen Beamspots, sondern viele Anlagen verfügen über einen elektrostatisch aufgeweiteten Strahl (=Strich in x-Richtung), der beispielsweise elektrostatisch über den Wafer (y-Richtung) gescannt wird. Teilweise sind auch teil-mechanische Scanner im Einsatz, d.h. Aufweitung des Strahls in x-Richtung und mechanische (langsame) Bewegung des Wafers in y-Richtung.
  • Anordnung zur Ausnutzung einer großen Filterfläche
  • Es muss eine Bestrahlungsanordnung genutzt werden, die es erlaubt, ein statisches oder bewegliches Substrat energiegefiltert mit hoher lateraler Homogenität über die gesamte Substratfläche zu bestrahlen und dabei eine große Filterfläche zu nutzen. Dadurch können thermische Effekte und Degradationseffekte im Filter gemindert werden.
  • Modifizierung des Dotierprofils im Substrat mittels Opferschicht
  • Das Energiefilter ist ein Werkzeug zur Manipulation des Dotierprofils im Substrat. Unter bestimmten Anforderungen ist eine Manipulation des erzeugbaren Dotierprofils im Substrat NACH dem Energiefilter wünschenswert. Insbesondere ein „Herausschieben“ des oberflächennahen Anfangs des Dotierprofils aus dem Substrat ist wünschenswert. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn der Anfang des Dotierprofils im Substrat durch den Filter aus verschiedenen Gründen (insbesondere Verlust von Ionen durch Streuung) nicht korrekt eingestellt werden kann. Solch eine Dotierprofilmanipulation nach dem Energiefilter kann durch eine Implantation in eine Opferschicht auf dem Substrat erfolgen.
  • Laterale Modifikation des Dotierprofils im Substrat mittels Opferschicht
  • Für gewisse Anwendungen ist ein lateral veränderliches Dotierprofil im Substrat wünschenswert. Insbesondere könnte die Veränderung der Implantationstiefe eines homogenen Dotierprofiles für Randabschlüsse in Halbleiterbauelementen vorteilhaft eingesetzt werden. Solch eine laterale Einstellung des Dotierprofils kann durch eine lateral in ihrer Dicke veränderliche Opferschicht auf dem Substrat erfolgen.
  • Anpassung eines Profilübergangs mehrerer Implantationsprofile
  • Für gewisse Anwendungen ist es wünschenswert, dass 2 oder mehrere Profile in einer bestimmten Tiefe an einer „Nahtstelle“ verbunden werden müssen, da sonst eine Isolation zwischen den Schichten besteht. Insbesondere tritt dieses Problem bei einem Schichtsystem auf, wenn das untere Ende eines oberen Dotierprofils oder das obere Ende eines untenliegenden Dotierprofils einen langsam auslaufenden Konzentrationsschwanz aufweisen.
  • Spezielle Anordnung des Multifilterkonzeptes bei gekoppelter Pendelbewegung
  • Wenn ein Multifilter am beweglichen Teil einer beweglichen Substratkammer befestigt ist, welche sich vor dem Strahl mit einer linearen Pendelbewegung bewegt (z.B. im Fall einer rotierenden Waferdisk mit vertikaler Scan-Einrichtung), so kann eine Bewegung des Multifilters relativ zum Strahl auf einfachem Weg durch die Bewegung der Substratkammer erreicht werden. Durch eine magnetische oder statische Scaneinrichtung vor dem Filter in eine Richtung kann dann eine sehr große Multifilterfläche genutzt werden, die sich bspw. als Produkt aus vertikaler Pendeldistanz und horizontaler Scandistanz ergibt. Die Bewegung von Wafer und Filter sind in dieser Anordnung gekoppelt, was zu Problemen hinsichtlich der lateralen Dotierhomogenität führen kann. Durch die Rotation des Waferrades „schreibt“ der Ionenstrahl Linien auf die Wafer. Als Konsequenz der genannten Anordnung ist die Position einer bspw. horizontalen bestrahlten Linie auf dem Wafer gekoppelt zu einer bestimmten vertikalen Position auf dem Multifilter. Eine Lücke zwischen einzelnen Filterelementen würde bspw. eine inhomogen dotierte Linie auf dem Wafer zur Folge haben. Es muss daher eine Anordnung der Filterkomponenten im Multifilter gewählt werden, sodass die laterale Homogenität trotz der Kopplung der linearen Bewegungen von Filter und Substrat gewährleistet ist.
  • Beispiele von Energiefiltern, von Implantationsvorrichtungen, oder von Teilen von Implantationsvorrichtungen die den zuvor genannten Produktionsbedingungen genügen, sind nachfolgend erläutert. Es sei erwähnt, dass die nachfolgend erläuterten Maßnahmen und Konzepte beliebig miteinander kombiniert werden können, aber auch jeweils einzeln für sich anwendbar sind.
  • Ad 1. Technisch einfacher Filterwechsel
  • Es wird vorgeschlagen an dem jeweiligen Implantationsfilter, das nachfolgend als Filterchip bezeichnet wird, einen Rahmen vorzusehen, der eine einfache Handhabung des Filterchips ermöglicht, einzubauen. Dieser Rahmen kann, wie in den 4 bis 6 dargestellt ist, derart gestaltet sein, dass er an der Ionenimplantationsanlage in eine dort vorinstallierte, passende Rahmenhalterung eingesetzt werden kann. Der Rahmen schützt den Energiefilter, erlaubt einfaches Handling und sorgt für elektrische und thermische Ableitung bzw. elektrische Isolierung (siehe 36). Der Rahmen kann vom Hersteller der Filterelemente mit dem Filterchip in einer staubfreien Umgebung bestückt und in einer staubfreien Verpackung bis an die Ionenimplantationsanlage geliefert.
  • In den 4 und 5 ist nur eine Ausführungsform für die geometrische und mechanische Ausgestaltung eines Filterrahmens dargestellt. Gemäß einer Ausführung wird der Filterhalter und/oder der Filterrahmen mit einer Beschichtung versehen, die einen Materialabtrag vom Filterrahmen und Filterhalter verhindert.
  • Filterrahmen und Filterhalter können aus Metallen, bevorzugt Edelstahl o.ä. hergestellt. Während des Implantationsprozesses muss aufgrund von gestreuten Ionen mit Sputtereffekten im lokalen Umfeld des Energiefilters gerechnet werden, d.h. es muss mit oberflächennahem Abtrag von Rahmen- und Filterhaltermaterial gerechnet werden. Metallkontaminationen auf dem Substratwafer könnten die unerwünschte Folge sein. Die Beschichtung verhindert eine solche Kontamination, wobei die Beschichtung aus einem nicht-kontaminierenden Material besteht. Welche Stoffe nicht-kontaminierend sind, ist von den Eigenschaften des verwendeten Zielsubstrats abhängig. Beispiele für geeignete Materialien umfassen Silizium oder Siliziumcarbid.
  • 4 zeigt einen Querschnitt eines Filterrahmens zur Aufnahme eines Energiefilterchips.
  • 5 zeigt eine Draufsicht auf einen Filterrahmen zur Aufnahme einer Energiefilterelements mit Verschlusselement und montiertem Energiefilter
  • 6 zeigt einen typischen Einbau eines Rahmens zur Aufnahme einer Energiefilterelements in den Strahlengang eines Ionenimplanters. In dem Beispiel ist der Filterhalter an einer Seite der Kammerwand angeordnet. In dem Beispiel ist diese Seite die Innenseite der Kammerwand, also die Seite, die bei der Implantation dem Wafer (nicht dargestellt) zugewandt ist. Der in den Filterhalter eingeschobene Rahmen mit dem Filterchip überdeckt die Öffnung der Kammerwand, durch die währen der Implantation der Ionenstrahl tritt.
  • Der Rahmen kann aus demselben Material wie das Filter bestehen. In diesem Fall kann der Rahmen monolithisch mit dem Filter hergestellt werden und als monolithischer Rahmen bezeichnet werden. Wie oben erläutert kann der Rahmen auch aus einem anderen Material wie das Filter, wie beispielsweise aus einem Metall bestehen. In diesem Fall kann das Filter in den Rahmen eingesetzt werden. Gemäß einem weiteren Beispiel umfasst der Rahmen einen monolithischen Rahmen und wenigstens einen weiteren Rahmen aus einem anderen Material als das Filter, der an dem monolithischen Rahmen befestigt ist. Dieser weitere Rahmen ist beispielsweise ein Metallrahmen.
  • Der Rahmen kann das Filter vollständig umgeben, wie oben erläutert und gezeigt ist und wie rechts in der unten dargestellten 7 gezeigt ist. Gemäß weiteren Beispielen, grenzt der Rahmen nicht an alle (vier) Seiten (Kanten) des Filters an, sondern grenzt nur an drei, zwei (gegenüberliegende) oder nur an eine der Kanten des Filters an. Unter Rahmen ist im Zusammenhang mit dieser Beschreibung also ein Vollrahmen, der das Filter an den Seiten (Kanten) vollständig umgibt, aber auch ein Teilrahmen, der das Filter an den Seiten nur teilweise umgibt, zu verstehen. Beispiele solcher Teilrahmen sind in 7 ebenfalls dargestellt.
  • 7 zeigt einen Teilrahmen (links in der Figur) und Vollrahmen (ganz rechts in der Figur), die jeweils aus dem gleichen (z.B. monolithisch) und/oder aus einem anderen Material als der Energiefilter bestehen können.
  • Das Energiefilter oder jegliches andere Streuelement kann durch seinen Rahmen, der gemäß einem der oben erläuterten Beispiele realisiert sein kann, kann auf verschiedene Weise im Strahlengang des Implanter befestigt werden. Das oben erläuterte Einschieben des Rahmens in einen Filterhalter ist nur eine von mehreren Möglichkeiten. Weitere Möglichkeiten sind unten erläutert.
  • Gemäß einem Beispiel, das in 8 dargestellt ist, kann der Rahmen durch wenigstens einen Steg an der Kammerwand befestigt werden. In diesem Fall dient der wenigstens eine Steg als Filterhalter.
  • Gemäß einem weiteren Beispiel, das in 9 dargestellt ist, kann der Rahmen auch durch Aufhängungen bzw. Aufhängungselemente an der Kammerwand befestigt werden. Diese Aufhängungselemente sind beispielsweise biegsam und können derart zwischen den Rahmen und Kammerwand gespannt werden, dass der Rahmen fest gehalten ist. Die Aufhängungselemente wirken bei diesem Beispiel als Filterhalter.
  • Gemäß einem weiteren Beispiel, das in 10 dargestellt ist, wird der Rahmen mit dem Filter durch Magnete schwebend (berührungslos) gehalten. Hierzu sind an einer Vorder- und einer Rückseite des Rahmens und der Kammerwand Magnete derart befestigt, dass jeweils ein Magnet an der Kammerwand oder einem an der Kammerwand befestigten Halter einem Magnet an dem Rahmen gegenüberliegt, wobei jeweils entgegengesetzte Pole der gegenüberliegenden Magnete einander zugewandt sind. Durch die Magnetkräfte wird der Rahmen schwebend zwischen den an der Kammerwand bzw. dem Halter befestigten Magneten gehalten. Die Magnete an dem Rahmen des Filters können beispielsweise durch thermisches Aufdampfen oder jegliches anderes schichtaufbringende Verfahren realisiert werden.
  • 8 zeigt eine Befestigung des Filterrahmens mit Filter oder jeglichen anderen passiven Streuelements durch einen oder mehrere Stege.
  • 9 illustriert eine Befestigung des Filterrahmens mit Filter oder jeglichen anderen Streuelements durch eine einfache oder mehrfache Aufhängung.
  • 10 zeigt eine Befestigung des Filterrahmens mit Filter oder jeglichen anderen Streuelements durch Magnetfelder.
  • Ad 2. Beliebige vertikale Profilformen
  • Im Prinzip kann durch die geometrische Ausgestaltung eines Energiefilters für Ionenimplantationsanlagen die Realisierung jedes beliebigen Dotierprofils in einem Halbleitermaterial erreicht werden. Für komplexe Profile bedeutet dies, die Herstellung von geometrisch sehr anspruchsvollen dreidimensionalen geätzten unterschiedlich großen, ggfs. unterschiedlich hohen Strukturen, wie etwa Pyramiden, Gräben mit definierter Wandneigung, umgekehrte Pyramiden etc. auf dem gleichen Filterchip erforderlich ist.
  • Es wird vorgeschlagen beliebige Profile durch rechteckige Profilformen, wie sie mit einfachen dreiecksförmigen Strukturen erzeugt werden können, zu approximieren (Multifilter). Gegebenenfalls können auch nicht-dreiecksförmige Strukturen (z.B. Pyramiden) als Basiselemente zur Approximation verwendet werden.
  • D.h. es wird vorgeschlagen ein beliebiges Dotierprofil z.B. in Kastenprofile zu zerlegen und für jedes Kastenprofil eine dreiecksförmige Filterstruktur herzustellen. Anschließend werden die einzelnen Filterchips beispielsweise in dem in 4 gezeigten Rahmen derart montiert, dass die flächenmäßige Wichtung der jeweils für das Kastenprofilelement entsprechenden Dotierkonzentration entspricht, siehe 11.
  • Die Zerlegung eines Dotiertiefenprofils ist nicht auf die hier gezeigten Dreiecksstrukturen begrenzt, sondern es können weitere Strukturen, welche im allgemeinsten Fall Schrägen oder auch konvexe oder konkave ansteigende Flanken enthalten. Die Flanken müssen nicht notwendigerweise monoton steigend sein, sondern können auch Täler und Senken enthalten.
  • Binäre Strukturen mit Flankenwinkeln von 90° sind auch denkbar.
  • Bei Ausführungsform werden die Filterelemente „schräg“ ausgeschnitten und direkt nebeneinander angeordnet. Das schräge Anschneiden hat den Vorteil, dass keine Klebeverbindung zwischen den Filtern benötigt wird um Ionen am Filterrand abzublocken. Außerdem kann auf diese Weise die bestrahlte Fläche optimal genutzt werden. Bei gleichen Gesamtfilterabmessungen und gegebenem Ionenstrom erhöht dies den Waferdurchsatz.
  • 11 veranschaulicht eine Einfache Realisierung eines Multifilters. Drei unterschiedlich ausgeformte Filterelemente sind in einem Rahmen zur Filterhalterung zu einem ganzen Energiefilter zusammengefasst. Der Ionenstrahl überstreicht alle Einzelfilterelemente gleichmäßig. Im vorliegenden Beispiel (links) entsteht somit das rechts dargestellte Dotierstofftiefenprofil. Dieses Profil enthält drei Teilprofile, die mit 1, 2 und 3 nummeriert sind. Jedes dieser Teilprofile resultiert aus einem der drei links dargestellten Teilfilter, und zwar aus dem mit der entsprechenden Nummer versehenen Teilfilter.
  • 12 zeigt eine detaillierte Darstellung des Multifilterkonzeptes. Links sind drei Filterelemente exemplarisch dargestellt. Vier Elemente sind zahlenmäßig beschrieben. Aus jedem Filterelement resultiert bei gegebener Ionensorte und Primärenergie ein Dotierstofftiefenprofil. Die Wichtung, d.h. die resultierende Konzentration ist durch die Dimensionierung der Flächen der einzelnen Filterelemente justierbar. Für das Beispiel wurde angenommen, dass Filter und Substrat das gleiche energieabhängige Abbremsvermögen besitzen. Im allgemeinen ist dies jedoch nicht der Fall.
  • 13 zeigt, dass sobald alle in 12 beschriebenen Filterelemente mit geeigneter Wichtung zu einem Gesamtfilter zusammenmontiert und gleichmäßig von einem Ionenstrahl geeigneter Primärenergie überstrichen werden, sich das dargestellte Summenprofil ergibt.
  • 14 zeigt eine beispielhafte Anordnung von Einzelfilterelementen in einem Multifilter. Die Einzelelemente F1, F2, F3 etc. sind schräg angesägt und werden direkt aufeinander montiert.
  • Ad 3. Hoher Durchsatz -Kühlsysteme in Kombination mit Filterbewegung
  • Hoher Durchsatz an Wafern ist bei gegebenen Zieldotierungen nur durch hohe Ionenströme zu realisieren. Da zwischen ca. 20% bis ca. 99% der Primärenergie des Ionenstrahls in der Filtermembran, d.h. dem durchstrahlten Teil des Implantationsfilter deponiert werden, wird der Einsatz eines Kühlverfahrens vorgeschlagen, um dadurch ein übermäßiges Ansteigen der Temperatur des Filters auch bei hohen Ionenströmen zu verhindern.
  • Eine solche Kühlung kann beispielsweise durch eine oder mehrere der nachfolgend unter a. bis c. erläuterten Maßnahmen erfolgen:
  • Kühlmitteldurchfluss in der Filterhalterung.
  • Hierdurch wird der erhitzte Filterchip durch Ableitung der Wärm gekühlt.
  • 15 illustriert eine Filteranordnung eingebaut in eine Ionenimplantationsanlage. In den Filterhalter, welcher den Filterrahmen aufnimmt, sind Kühlleitungen integriert, welche durch ein externes Kühlgerät mit Kühlflüssigkeit versorgt werden. Die Kühlleitungen könnten auch auf der Oberfläche des Filterhalters angeordnet sein (nicht dargestellt).
  • Bewegung des Filters oder Ionenstrahls
  • Es wird vorgeschlagen bei Verwendung eines rotierenden, beispielsweise mit 10-15 Wafern beladenen Waferrades, den Filter bzw. den Halter des Filters derart zu gestalten, dass er rotiert oder mit einer Linearbewegung pendelt. Alternativ kann der Ionenstrahl bei fest stehendem Filter elektrostatisch über den Filter bewegt werden.
  • Bei diesen Ausführungsvarianten wird das Filter pro Zeiteinheit nur teilweise durch den Ionenstrahl bestrahlt. Dadurch kann der aktuell nicht bestrahlte Teil des Filters über Strahlungskühlung, siehe 16 und 17 abkühlen. Somit können im Dauereinsatz gemittelte höhere Stromdichten bei gegebenem Filter realisiert werden.
  • 16 zeigt einen Energiefilter mit großer Fläche, welcher pro Zeiteinheit nur partiell bestrahlt wird. Somit können die nicht bestrahlten Bereiche über Strahlungskühlung abkühlen. Diese Ausführungsform ist auch als Multifilter gestaltbar, wie es oben beschrieben wurde. D.h. als Filter, das mehrere unterschiedliche Filterelemente aufweist. In dem dargestellten Beispiel pendelt der Rahmen mit dem Filter in einer Richtung senkrecht zur Strahlrichtung des Ionenstrahls. Die von dem Ionenstrahl überdeckte Fläche des Filters ist geringer als die Gesamtfläche des Filters, so dass pro Zeiteinheit nur ein Teil des Filters durchstrahlt wird. Dieser Teil ändert sich stetig aufgrund der Pendelbewegung.
  • 17 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Anordnung von Energiefiltern, welche um eine zentrale Achse rotieren. Auch wird pro Zeiteinheit nur partiell bestrahlt und die nicht bestrahlten Elemente können abkühlen. Diese Ausführungsform ist auch als Multifilter gestaltbar.
  • Ad 4. Vereinfachtes Filterdesign
  • Die Herstellung von Zackenstrukturen mit exakter Höhe und perfekter Spitze ist prozesstechnisch anspruchsvoll und dementsprechend teuer.
  • Für einfache Dotierverläufe (z.B. homogene Dotierung), die von der Substratoberfläche starten und die lediglich eine einfache Zackenstruktur benötigen soll hier eine vereinfachtes Design und damit einhergehend eine vereinfachte Herstellung vorgeschlagen werden.
  • Es wird vorgeschlagen, statt einer Spitze die mikrostrukturierte Membran (z.B. Zackenstruktur) mit einem Plateau auf den Zacken auszugestalten und die Dicke der Stützschicht der Membran so zu dimensionieren, dass der entstehende niederenergetische Dotierstoffpeak in die Stützschicht des Filters geschoben wird und somit nicht in das Substrat implantiert wird.
  • 18 veranschaulicht eine Schematische Darstellung der Erfindung „Verschiebung des Peaks“. Durch Implantation von Ionen in den Energiefilter kann mit Hilfe einer trapezprismenförmigen Struktur ein Rechteckprofil im Substrat erzeugt werden. Der anfängliche Peak wird in den Energiefilter implantiert. Das Implantationsprofil hat die vorteilhafte Eigenschaft, dass es direkt an der Substratoberfläche beginnt, was für die Applikation des Energiefilters von entscheidender Bedeutung ist.
  • Plateau auf den Zacken: Damit wird die prozesstechnische Realisierung des Filters wesentlich vereinfacht. Es ist bekannt triangulare Strukturen in Silizium beispielsweise durch nasschemisches Ätzen mittels KOH oder TMAH herzustellen. Dafür ist die lithographische Abdeckung der Dreiecksspitzen notwendig. Sollen perfekte Spitzen hergestellt werden führt das zum Problem der Unterätzung der Lack- bzw. Hartmaskenstruktur. Dieses Problem kann ohne die hier vorgeschlagene Idee nur durch perfekte (und somit aufwändige, kostenintensive) Prozessierung gelöst werden. Die hier vorgeschlagene Idee, vereinfacht somit die Herstellung der Filterstrukturen ganz wesentlich.
  • Dies gilt analog auch für moderne plasmagestützte Ätzverfahren, wie etwa RIBE oder CAI-BE.
  • Ad 5. Hohe Laterale Homogenität des erzeugten Dotier- bzw. Defektgebietes
  • Der Aspekt der lateralen Homogenität ist bei statischen Implantationssituationen entscheidend. Im Falle der Verwendung einer rotierenden Waferdisk (Waferrad) mit beispielsweise 11 Wafern und feststehendem Ionenstrahl wird die Homogenität durch die Rotations- und Translationsbewegung der Waferdisk relativ zum Ionenstrahl bestimmt.
  • Filter-Substrat Abstand: Die Winkelverteilung der transmittierten Ionen ist energieabhängig. Sind Filter und Energie der Ionen so aufeinander abgestimmt, dass u.a. sehr niederenergetische Ionen (nukleares Abbremsregime) den Filter verlassen, so ist die Breite der Winkelverteilung groß, da Großwinkelstreuereignisse häufig vorkommen. Sind Filter und Energie der Ionen so aufeinander abgestimmt, dass nur hochenergetische Ionen (nur im elektronischen Regime, dE/dxelekton > dE/dxnuklear) den Filter verlassen, so ist die Winkelverteilung sehr schmal.
  • Minimaler Abstand: Ist dadurch charakterisiert, dass die Struktur des Filters nicht in das Substrat übertragen wird, d.h. z.B. dass bei gegebenem Streuwinkelverteilung der transmittierten Ionen, diese wenigstens eine laterale Distanz vergleichbar mit der Periode der Gitterkonstante des Ionenfilters überstreichen.
  • Maximaler Abstand: Bei gegebener Streuwinkelverteilung, ist der maximale Abstand durch den von der Applikation (Halbleiterbauelement) noch zu tolerierende Verlust durch gestreute Ionen, insbesondere am Rand des Halbleiterwafers, bestimmt.
  • Die 19 zeigt das Ergebnis eines Versuches, bei dem Ionen durch einen Energiefilter während einer statischen Implantation in ein PMMA-(Polymethylacrylat)-Substrat implantiert wurden. Die Ionen zerstören hierbei die Molekülstruktur des PMMA, so dass ein anschließender Entwicklungsprozess, die Energieverteilung der Ionen derart offenlegt, dass Bereiche hoher Energiedeposition aufgelöst werden. Bereiche geringer oder ohne Energiedeposition durch Ionen werden in der Entwicklerlösung nicht aufgelöst.
  • Die hier vorgeschlagene Idee ist es, bei korrekter Wahl des Filter-Substrat-Abstandes sowohl für dynamische als auch für statische Implantationsanordnungen eine hohe laterale Dotierhomogenität zu erzeugen.
  • 19 zeigt, dass Ionen durch einen Energiefilter während einer statischen Implantation in ein PMMA Substrat implantiert werden. Die Ionen zerstören hierbei die Molekülstruktur des PMMA. Ein anschließender Entwicklungsprozess, legt die Energieverteilung der Ionen offen. Bereiche hoher Energiedeposition werden herausgelöst. Bereiche geringer oder ohne Energiedeposition durch Ionen werden in der Entwicklerlösung nicht aufgelöst.
  • Ad 6. Überwachung des „End of Life“ für den Energiefilter
  • Aufgrund der nuklearen Wechselwirkung und der hohen Temperaturwechsel (Erwärmung des Filters typischerweise auf einige 100°C) degradieren Energiefilter als Funktion der akkumulierten implantierten Ionendosis.
  • Ab einer kritischen Ionendosis, wird das Filter in seiner chemischen Zusammensetzung, seiner Dichte und seiner Geometrie derart verändert, dass die Auswirkungen auf das zu realisierende Zielprofil nicht mehr vernachlässigt werden können. Die kritische Ionendosis ist abhängig vom verwendeten Filtermaterial, der implantierten Ionensorte, der Energie, der Geometrie und der erlaubten Schwankungsbreite (=Spezifikation) des Zielprofils.
  • Für jeden Filterimplantationsprozess mit gegebener Energie, Ionensorte, Profil etc. kann daher eine Spezifikation, welche eine Maximaltemperatur während der Implantation und eine maximale erlaubte akkumulierte Ionendosis beinhaltet, definiert werden. Gemäß einem Beispiel ist vorgesehen, die Verwendung des Energiefilters derart zu überwachen, dass eine Verwendung außerhalb der Spezifikation, auch ohne die Überwachung durch einen Ingenieur, nicht erfolgen kann. Hierzu wird vorgeschlagen, jeden Filter mit einer elektronisch auslesbaren Signatur zu erfassen, sobald das Filter in die Filterhalterung am Implanter eingesetzt wird und diese Signatur auszulesen, beispielsweise durch einen Steuerrechner. Die Signatur ist hierzu beispielsweise in einem elektronisch auslesbaren, an dem Filter angeordneten Speicher abgespeichert. In einer Datenbank sind beispielsweise die Signaturen der an einem bestimmten Implanter einsetzbaren Filter und deren Eigenschaften abgespeichert, wie beispielsweise für welchen Prozess (Ionensorte, Energie) das Filter geeignet ist und welche akkumulierte Dosis, sowie welche maximale Temperatur erreicht werden dürfen. Durch Abgleich der ausgelesenen Signatur mit der Datenbank kann durch den Steuerrechner somit festgestellt werden, ob das Filter für eine geplanten Implantationsprozess geeignet ist.
  • 20 zeigt ein Kontrollsystem zur Identifikation des Filters und zur Überwachung der Einhaltung der Filterspezifikation (Maximaltemperatur, maximale akkumulierte Ionendosis).
  • Ist das Filter identifiziert wird durch die eingebauten Sensoren (Ladungsintegrator und Temperatursensor) beispielsweise permanent die akkumulierte Ionendosis und die Temperatur des Filters gemessen. Der Implantationsprozess wird beendet, wenn einer der spezifizierten Parameter erreicht bzw. überschritten wird, wenn das Filter also beispielsweise zu heiß wird oder die erlaubte Maximaldosis durch den Filter implantiert wurde. D.h., bei Verletzung der Spezifikation wird ein Signal an den Steuerrechner gesendet, welcher den Implantationsvorgang beendet.
  • Ad 7. Einschränkung der Winkelverteilung der transmittierten Ionen
  • Für Anwendungen, welche auf dem Zielsubstrat ausgesparte Bereiche erfordern, kann eine Maskierung auf dem Zielsubstrat aufgebracht werden.
  • Um eine laterale „Aufweichung“ der Strukturen, durch eine filterinduzierte zu breite Ionenverteilung zu vermeiden, wird vorgeschlagen den durch den Filter transmittierten Ionenstrahl zu kollimieren. Die Kollimation kann durch streifen-, röhren-, gitter- oder hexagonal gestaltete Strukturen mit hohen Aspektverhältnissen erfolgen, welche im transmittierten Strahl nach dem Energiefilter platziert werden. Das Aspektverhältnis dieser Strukturen definiert den erlaubten maximalen Winkel.
  • Ausführungsformen sind in den 21 - 25 dargestellt.
  • 21 zeigt eine Kollimatorstruktur, welche am Filterhalter fixiert ist.
  • Das Aspektverhältnis bestimmt den Maximalwinkel α. Sollte der zur Verfügung stehende Abstand zum Implantationssubstrat nicht ausreichen, so kann der Kollimator auch aus mehreren nebeneinander angeordneten Kollimatoreinheiten mit kleinerer Öffnung bestehen. Diese können z.B. wabenförmig angeordnet sein
  • Alternativ kann die Kollimatorstruktur auch direkt auf dem Filterelement angeordnet sein. Die Herstellung eines solchen Elements kann monolithisch erfolgen oder durch Mikrobondverfahren.
  • 22 illustriert eine Kollimatorstruktur, welche direkt auf dem Filter aufgebaut ist.
  • Das Aspektverhältnis bestimmt den Maximalwinkel α. Hier wird das Filter in Rückseiten zu Frontseiten Konfiguration im Ionenstrahl platziert. Der Kollimator wirkt bei vorteilhafter Ausgestaltung mechanisch stabilisierend auf den Filter und verbessert aufgrund der vergrößerten Oberfläche des Fiterchips die Kühlung durch Strahlung.
  • 23 zeigt eine Kollimatorstruktur, welche direkt auf dem Filter aufgebaut ist. Das Aspektverhältnis bestimmt den Maximalwinkel α. Hier wird das Filter in Frontseiten- zu Rückseiten-Konfiguration im Ionenstrahl platziert.
  • 24 veranschaulicht eine Kollimatorstruktur, welche direkt auf dem Filter aufgebaut ist. Die Kollimatorstruktur kann lamellenförmig, streifenförmig, röhrenartig oder wabenförmig aufgebaut sein - je nach Layout des Filters und der benötigten maximalen Winkelverteilung.
  • Für maskierte Implantationen kann eine Maskierung auf dem Zielwafer aufgebracht werden. Eine Bedingung an diese Maskierung kann lauten, dass das Abbremsvermögen der Maskierung mindestens der mittleren Reichweite des transmittierten Ionenstrahls im Zielsubstratmaterial entspricht muss. Um durch die Maskierung zusätzlich noch die erforderliche Einschränkung der Winkelverteilung zu leisten, kann das Aspektverhältnis der Maskierung entsprechend angepasst werden. Das Aspektverhältnis ist das Verhältnis von Höhe (h in 25) zu Breite (b in 25) der Kollimatorstruktur.
  • 25 stellt eine Kollimatorstruktur dar, welche direkt auf dem Zielsubstrat aufgebaut ist. Die Kollimatorstruktur kann lamellenförmig, streifenförmig, röhrenartig oder wabenförmig aufgebaut sein - je nach Layout der Substratstruktur und der benötigten maximalen Winkelverteilung.
  • Ad 8. Geringer Filterverschleiß durch Sputtereffekte
  • Implantationsanordnung des Filters zum Substrat, einmal Zacken zum Substrat, einmal Zacken weg vom Substrat (→ Sputtern, Streuung bei Auftreffen)
  • 26 zeigt eine Schematische Darstellung der Erfindung „Umdrehen des Filters“. (a) Das Filter wird in regulärer Anordnung benutzt, d.h. dass die Mikrostrukturen vom Strahl wegzeigen. (b) Das Filter kann umgedreht werden, d.h. dass die Mikrostrukturen zum Strahl hinzeigen. Dies hat vorteilhafte Auswirkungen auf Sputtereffekte im Filter.
  • Ad 9. Vermeidung von Channelingeffekten durch die Anordnung des Filters zum Ionenstrahl
  • Verkippen des Filters und/oder des Substrates
  • Sofern Filter und/oder Substrat aus kristallinem Material bestehen, kann es zu unerwünschten Channelingeffekten kommen. D.h. Ionen können entlang bestimmter Kristallrichtungen eine erhöhte Reichweite erzielen. Die Größe der Effekts, sowie der Akzeptanzwinkel sind temperatur- und energieabhängig. Der Implantationswinkel, sowie die kristallographische Oberflächenorientierung des verwendeten Ausgangsmaterials für Filter und Substrat spielen eine entscheidende Rolle. Im allgemeinen kann über einen Wafer der Channelingeffekt nicht sicher reproduziert werden, da sich die o.g. Parameter von Wafer zu Wafer und von Implantationsanlage zu Implantationsanlage unterscheiden können.
  • Channeling sollte daher vermieden werden. Eine Verkippung von Filter und Substrat kann Channeling verhindern. Channeling im Filter bzw. im Substrat kann jeweils ganz unterschiedliche Auswirkungen auf das Tiefenprofil des implantierten Dotierstoffes habe, insbesondere wenn Filter und Substrat aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
  • 27 veranschaulicht eine Schematische Darstellung der Erfindung „Kippen des Filters“. Ist das Energiefilter aus anisotropen Materialien gefertigt, kann es zum Channeling-Effekt kommen. Dies kann durch eine Kippung des Energiefilters verhindert werden.
  • Ad 10. Realisierung komplexer Dotierstofftiefenprofile bei einfacher Filtergeometrie
  • Wie oben erläutert können komplexere Dotierstofftiefenprofile durch angepasste geometrische Ausgestaltung des Filterelementes realisiert werden. Zur Vereinfachung in den nachfolgenden Erläuterungen Streueffekte aller Art vernachlässigt werden.
  • Für den Fall gleicher Abbremsfähigkeit von Ionen (Stopping Power (dE/dx)) im Filter und im Substratmaterial ergeben sich z.B. die folgenden Situationen:
  • 28 zeigt eine Schematische Darstellung verschiedener Dotierprofile (Dotierkonzentration als Funktion der Tiefe im Substrat) für unterschiedlich geformte Energiefiltermikrostrukturen (jeweils in Seitenansicht und Aufsicht dargestellt). (a) Dreiecksprismenförmige Strukturen erzeugen ein rechteckförmiges Dotierprofil, (b) Kleinere dreiecksprismenförmige Strukturen erzeugen ein weniger tiefenverteiltes Dotierprofil, (c) Trapezprismenförmige Strukturen erzeugen ein rechteckförmiges Dotierprofil mit einem Peak am Profilbeginn. (d) Pyramidenförmige Strukturen erzeugen ein dreiecksförmiges, in die Tiefe des Substrates ansteigendes Dotierprofil.
  • Beispielsweise bei Verwendung von Silizium als Substratmaterial, welches beispielsweise mit Bor dotiert werden soll, ergeben sich bei der Ausgestaltung des Energiefilters mit unterschiedliche Materialien, je nach Dichte und Verlauf von dE/dx als Funktion der aktuellen kinetischen Ionenenergie, geänderte Dotiertiefenprofile im Substrat. Ein perfekt homogener, d.h. konstanter Verlauf der Dotierung in der Tiefe wird nur bei identischen Materialien für Filter und Substrat (hier in 29 Silizium) erreicht.
  • 29 illustriert verschiedene Zielprofilformen bei gleichem Primärion und gleicher Primärenergie, aufgrund unterschiedlicher Targetmaterialien. Filtermaterial ist jeweils Silizium.
  • 30 zeigt einen Verlauf des Abbremsvermögens als Funktion der Energie [4] (SRIM-Simulation)
  • Es wird nun vorgeschlagen, bei gegebener Oberflächengeometrie den energieabhängigen Verlauf des Abbremsvermögens z.B. durch Ausgestaltung des Filters als Multischichtsystem anzupassen.
  • Es wird vorgeschlagen den Verlauf des Abbremsvermögens als Funktion der Ionenenergie, (d.h. bei gegebener Ionensorte und Primärenergie, als Funktion des vertikalen Position in einer Filterzacke) derart zu modellieren, dass sich insgesamt (d.h. vom Eintritt des Ions in den Filter bis zur Endposition im bestrahlten Substrat) ein von der Eintrittsposition auf dem Filter (genauer gesagt von der tatsächlichen Weg des Ions durch Filter und Substrat) abhängiger Gesamtverlust an kinetischer Energie ergibt. Der Energieverlust im Filter wird damit nicht mehr nur von der durchstrahlten Länge des Filtermaterials sondern, von dem ortsabhängigen Verlauf des Abbremsvermögens bestimmt.
  • Somit können bei entsprechender Modellierung und beispielsweise fester Geometrie ansteigende oder in der Tiefe abfallende Dotierverläufe hergestellt werden. Das Abbremsvermögen wird somit zu einer Funktion der lateralen Position y (32)
  • Ausführungsformen des hier vorgeschlagenen Filters sind in den 31 bis 33 dargestellt.
  • 31 zeigt ein Ausgangmaterial eines einfachen Mehrschichtfilters. Filtermaterialien mit geeignetem Abbremsvermögen werden durch geeignete Abscheideverfahren sequentiell aufeinander angeordnet.
  • 32 zeigt, dass bei geeigneter Ausgestaltung des Schichtstapels von Materialien mit unterschiedlichem Abbremsvermögen wird, können selbst bei einfacher Filtergeometrie (hier: streifenförmige Dreiecke) komplexe Dotierstofftiefenprofile realisiert werden.
  • In einer verallgemeinerten Form des Energiefilters sind die Geometrien der einzelnen Filterstrukturen und/oder die Schichtzusammensetzung des Filterkörpers zueinander verschieden, siehe 33. Als Materialien für die einzelnen Schichten eignen sich beispielsweise, ohne allerdings auf solche Materialien beschränkt zu sein, Silizium, Silziumverbindungen oder Metalle. Siliziumverbindungen sind beispielsweise Siliziumkarbid (SiC), Siliziumoxid (SiO2) oder Siliziumnitrid (SiN). Geeignete Metalle sind beispielsweise Kupfer, Gold, Platin, Nickel oder Aluminium. Gemäß einem Beispiel wird wenigstens eine Schicht aus einer Siliziumverbindung auf eine Siliziumschicht aufgewachsen und auf die wenigstens eine Schicht aus einer Siliziumverbindung wird eine Metallschicht aufgedampft. Eine Metallschicht kann auch direkt auf eine Siliziumschicht aufgedampft werden. Auch besteht die Möglichkeit, verschiede Metallschichten übereinander durch Aufdampfen herzustellen, um dadurch verschieden Schichten des Filters zu erhalten.
  • 33 zeigt einen verallgemeinerten Aufbau eines Energiefilters, aus den Materialien 1 - 6 und mit verschiedenen Geometrien der einzelnen Filterstrukturen.
  • Ad 11. Elektronenunterdrückung
  • Es ist bekannt, dass bei der Transmission von Ionen durch einen Festkörper Elektronen des Primärstrahls im Festkörper verbleiben oder vom Ion aufgenommen werden, d.h. die transmittierten Ionen haben abhängig von den Eigenschaften des Filtermaterials und der Primärenergie nach Durchgang durch den Filter im Mittel einen höheren oder niedrigeren Ladungszustand [26], es werden Elektronen an den Filter abgegeben oder aufgenommen.
  • 34 zeigt Gleichgewichtsladungszustande eines Ions (Schwarze Linie: Thomas-Fermi-Abschätzung, Blaue Linie: Monte-Carlo-Simulationen, Rote Linie: Experimentelle Ergebnisse) als Funktion der kinetischen Energie des Ions beim Durchstrahlen einer dünnen Membran. Ion: Schwefel, Membran: Kohlenstoff. [27]
  • Gleichzeitig können durch den Ionenbeschuss, sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite des Filters Sekundärelektronen mit hoher kinetischer Energie erzeugt werden. Bei hohen Stromdichten, wie sie in der industriellen Produktion gefordert werden, wird sich das Energiefilter aufheizen, siehe 35. Aufgrund thermoionischer Elektronenemission (Richardson-Dushman Gesetz) werden abhängig von der Temperatur und der Austrittsarbeit des Filtermaterials thermische Elektronen erzeugt.
  • 35 zeigt eine Erwärmung eines Energiefilters durch Ionenbeschuss; 6MeV C Ionen in für diese Bedingungen nicht transparenten Energiefilter [2].
  • Der Abstand (im Hochvakuum) des Ionenbeschleunigers zwischen Filter und Substrat beträgt typischerweise nur einige Zentimeter oder weniger. D.h. durch Diffusion thermischer Elektronen (aus thermoionischer Emission) und durch Einwirkung schneller Elektronen (aus Ionenbeschuss) wird die Messung des Ionenstroms am Substrat, beispielsweise durch einen dort angebrachten Faraday Cup, verfälscht.
  • Wie beschrieben, gibt es aus Sicht des Filters Prozesse die Elektronen liefern (Stripping der Primärionen) und es gibt Prozesse die Elektronen emittieren. Somit ist das Potential eines elektrisch isoliert montierten Filters nicht gut definiert, sondern wird in Abhängigkeit von Ionenstrom, Vakuumbedingungen, Temperatur etc. während des Implantationsvorgans variieren. Eine netto-negative Aufladung wird die Emission von Elektronen befördern, eine nettopositive Aufladung wird die Emission von Elektronen tendenziell unterdrücken. Verschiedene Möglichkeiten, eine derartige Aufladung zu verhindern sind nachfolgend erläutert.
  • Energiefilterelement auf definiertem (positiven) Potential
  • Es wird vorgeschlagen, den Energiefilter derart auszugestalten und zu montieren, dass das Filter während des Ionenbeschusses immer auf einem definierten Potential liegt, vgl. 36.
  • 36 veranschaulicht eine Ausführung einer Filteranordnung bei welcher das Filter im Filterrahmen, zum Zwecke der Unterdrückung von Sekundärelektronen, gegenüber dem Filterhalter auf einem definierten (positiven) Potential gehalten wird.
  • Es wird weiter vorgeschlagen, dass dieses Potential geregelt werden soll, d.h. es wird vorgeschlagen, unabhängig von der Ladungsbilanz, die sich aus dem Implantationsprozess ergibt, während der Implantation ein konstantes Potential gegenüber dem Potential der zu implantierenden Substrate oder dem Erdpotential einzustellen. Hierfür wird die geregelte Zufuhr von positiver oder negativer Ladung durch eine Stromquelle vorgeschlagen.
  • Das einzustellende Potential kann insbesondere so gewählt werden, dass beispielsweise die Emission von Elektronen aus dem Filter komplett unterdrückt wird und somit im Faraday-Cup neben oder auf dem Substrat nur noch die (positive) Ladung des transmittierten Ionenstroms gemessen wird. Typische Werte für ein solches (positives) Potential liegen zwischen einigen 10V und einigen 1000V.
  • Für den Fall, dass das Energiefilter aufgrund seiner materiellen Beschaffenheit, sehr hochohmig ist, wird vorgeschlagen den Filter mit einer dünnen hochleitfähigen Schicht mit einer Dicke von einigen Nanometern bis einigen 10 Nanometern ein- oder beidseitig zu belegen. Die Stoppingpower dieser Schicht muss beim Design des Filters mit in die Gesamtbilanz der Stoppingpower aufgenommen werden. Es ist darauf zu achten, dass die aufgebrachte Schicht (auch bei Auftragung auf der dem Substrat abgewandten Seite) prinzipiell keine schädlichen Kontaminationen im zu implantierenden Substratmaterial verursacht. Die Schicht kann für die Bearbeitung von SiC Substraten beispielsweise aus Kohlenstoff bestehen.
  • Energiefilter wird beschichtet mit Material hoher Austrittsarbeit
  • Um starke thermoionische Emission zu vermindern, wird vorgeschlagen den Energiefilter mit einem Material hoher Elektronenaustrittsarbeit, siehe 37 mit ausreichender Dicke ein- oder beidseitig zu belegen und somit bei gegebener Temperatur eine möglichst geringe thermoionische Emission zu verursachen.
  • Die Stoppingpower dieser Schicht muss beim Design des Filters mit in die Gesamtbilanz der Stoppingpower aufgenommen werden. Es ist darauf zu achten, dass die aufgebrachte Schicht (auch bei Auftragung auf der dem Substrat abgewandten Seite) prinzipiell keine schädlichen Kontaminationen im zu implantierenden Substratmaterial verursacht.
  • 37 zeigt Austrittsarbeiten einiger Elemente. [25]
  • Ad 12. Alternative Herstellmethoden durch Spritzguss-, Guss- oder Sinterverfahren
  • Implantationsfilters können durch mikrotechnische Verfahren hergestellt werden, wie beispielsweise Lithographieverfahren in Kombination mit nasschemischen oder trockenchemischen Ätzverfahren. Insbesondere können für die Filterherstellung anisotrope nasschemische Ätzverfahren mittels alkalischer Ätzmedien (z.B. KOH oder TMAH) in Silizium verwendet werden. Bei derartigen Filtern wird die funktionale Filterschicht aus einkristallinem Silizium hergestellt. Beim Beschuss mit energiereichen Ionen können dadurch Channelingeffekte den effektiven Energieverlust in der Filterschicht in schwer kontrollierbarer Weise beeinflussen. Beispiele, wie solche Effekte vermieden werden können, sind nachfolgend erläutert.
  • a.
  • Bei einem Beispiel ist vorgesehen, bei Gestaltung des Herstellprozesses als typischer mikrotechnischer Prozess, an Stelle von nasschemischen anisotropen Ätzverfahren, welche einkristallines Material erfordern, auf trockenchemische Ätzprozesse zu setzen und polykristallines oder amorphes Ausgangsmaterial für die Filtermembran zu verwenden. Der resultierende Filter hat strukturell, aufgrund seiner Materialstruktur, hinsichtlich Channeling verbesserte Eigenschaften.
  • b.
  • Bei einem anderen Beispiel ist vorgesehen, den Filter nicht mit einer typischen mikrotechnischen Prozessabfolge herzustellen, sondern Imprint-, Spritzguss- Guss- und Sinterverfahren zum Einsatz zu bringen. Kerngedanke ist es die genannten Prozesse derart anzuwenden, dass eine Form bzw. ein Formeinsatz die finale Form der Energiefiltermembran vorgibt. Das gewählte Filtermaterial wird nun in bekannter Weise für das jeweilige Verfahren verarbeitet d.h. in weichem Zustand (Imprint), flüssigem Zustand (Spritzguss- und Guss) bzw. granularem Zustand (Sinterprozesse) durch die vorgegebene Gussform, den Formeinsatz, den Stempel etc. in die geforderte Geometrie gebracht.
  • Die Vorteile der Anwendung der genannten Verfahren liegen darin, dass zum einen typischerweise keine einkristallinen Filtermembranen entstehen und somit Channeling unterdrückt wird. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die zur Verfügung stehende Palette von Filtermembranmaterialien sehr groß ist. Beispielsweise ist die Verwendung von Filtermembranen aus gesintertem SiC für die Erzeugung homogener Dotierprofile in SiC Substraten besonders vorteilhaft.
  • Ein weitere Vorteil liegt darin, dass durch den Einsatz der genannten abformenden Verfahren, die Kosten für die Herstellung einer großen Anzahl an Filterelementen gegenüber der mikrotechnischen Produktion stark abgesenkt werden können.
  • Ad 13 Bestrahlung eines statischen Substrates
  • Die homogene, energiegefilterte Bestrahlung eines statischen Substrates kann durch Wobbling (= gezieltes Ablenken) des Ionenstrahls vor dem Filter, Anordnung des Filters zwischen Wobbeleinheit (= Ionenstrahlablenksystem) und statischem Substrat und der richtigen Wahl des Ablenkwinkels und des Abstandes d zwischen Filter und Substrat (üblicherweise einige cm bis m) gewährleistet werden, siehe 38.
  • 38 veranschaulicht eine Anordnung einer Energiefilter-Implantation, in der mittels Ionen-Ablenksystem vor dem Filter und geeignetem Abstand zwischen Filter und Substrat (typischerweise im Bereich von einigen cm bis einigen m) die komplette Bestrahlung eines statischen Substrates erreicht wird.
  • Ad 14. Anordnung zur Ausnutzung einer großen Filterfläche
  • Anordnung mit komplett aktiver Filterfläche
  • In 39 ist die Anordnung einer Energiefilter-Implantation gezeigt, bei der die Strahlfläche durch geeignete Maßnahmen vergrößert wurde und die bestrahlte Filterfläche größer ist als die Substratfläche. Das Substrat kann statisch oder beweglich sein. Durch diese Anordnung wird eine Ausnutzung einer großen Filterfläche (= Verringerung von Degradationseffekten und thermischen Effekten im Filter) und eine komplette Bestrahlung des Substrates gewährleistet. Der Einsatz einer solchen Anordnung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die benötigten Filterstrukturen „groß“ sind. Bei der Dotierung von hochsperrenden Si-IGBTs oder Si-Leistungsdioden mit Protonen werden Eindringtiefen > 100µm benötigt. Für diese Anwendung werden somit Filterstrukturen mit „Zackenhöhen“ von >100µm benötigt. Solche Filterstrukturen können mit ausreichender mechanischer Stabilität sehr einfach, auch für große Substrate (z.B. 6" oder 8") hergestellt werden.
  • Bei der hier beschriebenen Anordnung muss ein Mindestabstand zwischen Substrat und Filter eingehalten werden, welcher sicherstellt, dass es durch Streueffekte eine ausreichende laterale Homogenisierung der implantierten Ionen gibt.
  • 39 zeigt eine Anordnung einer Energiefilter-Implantation, in der durch die größere Fläche des Energiefilters im Vergleich zum Substrat eine komplette Bestrahlung des Substrats erreicht werden kann und eine große Filterfläche genutzt wird. Der bestrahlte Filterbereichdurchmesser ist größer als der Substratdurchmesser.
  • Anordnung mit nicht komplett aktiver Filterfläche
  • Es wird zunächst dieselbe Anordnung wie in 14 a) genutzt: Die Anordnung einer Energiefilter-Implantation, bei der die Strahlfläche durch geeignete Maßnahmen vergrößert wurde und die bestrahlte Filterfläche größer ist als die Substratfläche. Allerdings ist hier nicht die gesamte Filterfläche aktiv, sondern nur ein bestimmter Anteil. Dies bedeutet, dass das Filter aus einer Anordnung einer Anzahl von beispielsweise streifenförmigen Filterelementen besteht. Diese Filterelemente können z.B. durch geeignete Herstellprozesse monolithisch aus einem Substrat hergestellt werden. Der andere (nicht aktive) Teil der Filterfläche wird zur Stabilisierung der Filtermembrane genutzt. Dieser Teil schattet den Ionenstrahl ab. Deswegen muss entweder das Substrat oder das Filter bei dieser Anordnung bewegt werden um die Abschattungseffekte auszugleichen. Durch diese Anordnung wird eine Ausnutzung einer großen Filterfläche (= Verringerung von Degradationseffekten und thermischen Effekten im Filter) und eine komplette Bestrahlung des Substrates gewährleistet.
  • 40 zeigt einen teilweise aktiven Filter mit mechanischem Scan in eine Richtung.
  • Ad 15. Modifizierung des Dotierprofils im Substrat mittels Opferschicht
  • Eine Opferschicht wird auf dem Substrat aufgebracht, deren Dicke und Stopping Power in geeigneter Art und Weise gewählt ist, sodass das Implantationsprofil in seiner Tiefe im Substrat in gewünschter Weise verschoben wird. Solch eine Opferschicht kann für maskierte Ionenimplantation (wie in 40) oder auch für unmaskierte Ionenimplantation verwendet werden. Insbesondere kann durch diese Methode ein ungewünschter Anfang eines Dotierprofils aus dem Substrat in die Opferschicht „herausgeschoben“ werden, indem der Anfang des Profils in die Opferschicht implantiert wird.
  • 41 zeigt eine Modifizierung des Dotierprofils im Substrat mittels Opferschicht im Fall einer maskierten, energiegefilterten Implantation. Im hier gezeigten Beispiel wird der Anfang des Implantationsprofils in die Opferschicht geschoben. Dieses Prinzip kann analog für unmaskierte, energiegefilterte Ionenimplantation genutzt werden.
  • Ad 16. Laterale Modifikation des Dotierprofils im Substrat mittels Opferschicht
  • Eine Opferschicht wird auf dem Substrat aufgebracht, deren Stopping Power und Verlauf der Dicke über die Waferfläche in geeigneter Art und Weise gewählt ist, sodass das Implantationsprofil in seiner Tiefe im Substrat in Abhängigkeit von der lateralen Position auf dem Wafer in gewünschter Weise verschoben wird. Solch eine Opferschicht kann für maskierte Ionenimplantation oder auch für unmaskierte Ionenimplantation (wie in 42) verwendet werden. Insbesondere kann die Veränderung der Implantationstiefe eines homogenen Dotierprofiles für Randabschlüsse in Halbleiterbauelementen vorteilhaft eingesetzt werden.
  • 42 illustriert eine laterale Modifikation des Dotierprofils im Substrat mittels Opferschicht im Fall einer unmaskierten, energiegefilterten Ionenimplantation. Die laterale Tiefenmodifikation kommt durch die lateral unterschiedliche Dicke der Opferschicht zustande. Das Prinzip ist analog für maskierte, energiegefilterte Implantationen einsetzbar.
  • Ad 17. Anpassung eines Profilübergangs mehrerer Implantationsprofile
  • 2 oder mehrere Dotierprofile können in geschickter Weise überlappt werden, sodass ein gewünschtes Gesamtdotierprofil insbesondere im Bereich des Überlapps entsteht. Diese Technik ist insbesondere beim Aufwachsen und dotieren mehrerer Schichten vorteilhaft. Ein repräsentatives Beispiel ist das Aufwachsen mehrerer SiC-Epi-Schichten und jeweiliger energiegefilterter Dotierung. Hier muss ein guter Kontakt zwischen den Schichten gewährleistet sein. In 58 ist ein Prozessablauf angegeben, welcher insbesondere den Überlapp und das jeweilige Einstellen des jeweils unterliegenden Dotierschwanzes zeigt.
  • Ad 18. Spezielle Anordnung des Multifilterkonzeptes bei gekoppelter Pendelbewegung
  • Eine geschickte Anordnung kann eingesetzt werden, sodass trotz gekoppelter Pendelbewegung von Filter und Substrat, das heißt keine relative vertikale Bewegung zwischen Filter und Substrat, eine laterale Homogenität der Verteilung der Ionen erreicht wird. Eine solche Anordnung ist in 43 gezeigt. Die Wafer werden durch die Rotation des Waferrades in x-Richtung hinter dem Substrat entlang geführt. Der Ionenstrahl (nicht dargestellt) ist bspw. in x-Richtung aufgeweitet und wird durch die vertikale Pendelbewegung der Implantationskammer über die komplette Multifilterfläche gescannt. Die Fläche besteht aus aktiven Filterbereichen und inaktiven Halterungsbereichen. Anordnung A) ist eine ungünstige Anordnung. Betrachtet man für y1 und y2 die bestrahlte Filterfläche, so werden bei y1 3 Filter bestrahlt während bei y2 gar kein Filter bestrahlt wird. Als Resultat erhält man ein lateral inhomogenes Streifenmuster auf dem Wafer. Anordnung B) zeigt ein mögliches Beispiel einer besseren Anordnung. Sowohl für y1 und y2 werden jeweils 2 Filter bestrahlt. Dies gilt für alle y. Dadurch wird eine lateral homogene Dotierung über die Waferfläche erreicht.
  • 43 zeigt die vertikalen Bewegungen in y-Richtung von Filter und Substrat sind gekoppelt. Die Wafer werden durch die Rotation des Waferrades in x-Richtung hinter dem Substrat entlang geführt. Der Ionenstrahl (nicht dargestellt) ist bspw. in x-Richtung aufgeweitet und wird durch die vertikale Pendelbewegung der Implantationskammer über die komplette Multifilterfläche gescannt. Die Fläche besteht aus aktiven Filterbereichen und inaktiven Halterungsbereichen. Anordnung A) ist eine ungünstige Anordnung. Betrachtet man für y1 und y2 die bestrahlte Filterfläche, so werden bei y1 3 Filter bestrahlt während bei y2 gar kein Filter bestrahlt wird. Als Resultat erhält man ein lateral inhomogenes Streifenmuster auf dem Wafer. Anordnung B) zeigt ein mögliches Beispiel einer besseren Anordnung. Sowohl für y1 und y2 werden jeweils 2 Filter bestrahlt. Dies gilt für alle y. Dadurch wird eine lateral homogene Dotierung über die Waferfläche erreicht.
  • Ad 19. Monitoring
  • Ein weiterer Aspekt soll die Aufgabe lösen, wichtige Parameter der durch einen Energiefilter modifizierten Ionenimplantation zu monitoren (überwachen). Solche Parameter sind beispielsweise der minimale oder maximale Projected Range, die durch die Filtergeometrie eingestellte Tiefenkonzentrationsverteilung und die (energieabhängige) Winkelverteilung. Das Monitoring weiterer Parameter, wie implantierte Ionensorte etc., könnte auch sinnvoll sein. Ein Monitoring soll insbesondere auf den zu implantierenden Wafern oder auf (parallel mehreren) Strukturen, die in der Nähe der Wafer angeordnet sind, möglich sein. Gemäß einem Aspekt soll das Monitoring ohne weitere Prozessierung der Monitoringstrukturen oder der Wafer durchgeführt werden.
  • Das Monitoring kann durch die Messung von optischen Parametern, wie spektrale Absorption, spektrale Transmission, spektrale Reflexion, Änderungen des Brechnungsindex, globale Absorption (Wellenlängenbereich von Messgerät abhängig) und globaler Transmission, sowie Reflexion (Wellenlängenbereich von Messgerät abhängig) durchgeführt werden.
  • Gemäß einem Aspekt ist vorgesehen, zum Monitoring der genannten Implantationsparameter Anordnungen von Masken und Substratmaterialien zu verwenden, die (1) an geeigneter Stelle auf der zu implantierenden Fläche, z.B. Waferrad, angeordnet sind und (2) durch Ionenimplantation ihre z.B. optischen Eigenschaften „as implanted“, d.h. ohne weitere Nachprozessierung so verändern, dass beispielsweise die Änderung proportional zur implantierten Ionendosis für eine gegebene Ionensorte ist. Solche unter (2) genannten Materialien sind beispielsweise PMMA (Plexiglas), PMMA, SiC, LiNbO3, KTiOPO4 o.ä.
  • 44 zeigt ein Waferwheel mit einer Anordnung von zu bestrahlenden Wafern, sowie Monitoringstrukturen zwischen den Wafern.
  • Im Falle, dass das in optischer Hinsicht auf Ionenstrahlung sensitive Material gleichzeitig das Material des Zielsubstrates ist, so kann das Zielsubstrat (z.B. ein SiC Wafer) direkt für das optische Monitoring verwendet werden.
  • Neben Veränderungen der optischen Eigenschaften ist bekannt, dass Materialien wie z.B. PMMA ihre Löslichkeit gegenüber bestimmten Säuren und Lösungsmitteln nach Bestrahlung durch Ionen verändern. Somit kann die Tiefe (oder die Ätzrate oder die resultierende Ätzgeometrie etc.) einer nach Ionenbestrahlung modifizierten Struktur als Maß für die implantierte Ionendosis betrachtet werden.
  • Das Monitoring über weitere Änderungen von physikalischen Parametern durch Ionenbestrahlung sind denkbar. Solche Änderungen können beispielsweise mechanische Eigenschaften des Monitormaterials, elektrische Eigenschaften des Monitormaterials oder auch die kernphysikalische Aktivierung des Monitormaterials durch hochenergetische Ionenbestrahlung sein.
  • Gemäß einem Aspekt soll die Detektion über die Änderung optischer Eigenschaften erfolgen. Eine solche Implementierung soll im Folgenden beschrieben werden. Für den häufig auftretenden Fall, dass das Monitoring nicht an den zu implantierenden Zielsubstraten stattfindet, wird die Implementierung von separaten Monitoringstrukturen vorgeschlagen. Eine Monitoringstruktur besteht aus der Anordnung eines geeigneten Substratmaterials mit einer oder mehreren Maskenstrukturen, siehe 45 und 46.
  • 45 veranschaulicht eine Monitoringmaske mit einer beispielhaften Anordnung von verschiedenen für Ionenstrahlen transparenten oder teiltransparenten Maskenstrukturen Ma1 bis Ma. 46 zeigt einen Querschnitt durch die Anordnung einer Monitoringmaske und einem geeigneten Monitoringmaterial.
  • Die Monitoringstruktur bzw. -strukturen (Monitoringchips) werden, wie in 44 dargestellt an geeigneter Stelle, beispielsweise auf dem Waferwheel, angeordnet. Das Auslesen der Monitoringchips erfolgt nach der Implantation, beispielsweise ohne weitere Nachprozessierung. Ggfs. muss die Maske für die Auslesemessung vom Monitoringsubstrat getrennt werden. Gemäß einem Aspekt ist die Maske wiederverwendbar.
  • Maskenmaterial und Substratmaterial des Monitoringchips können aus verschiedenen Materialien sein. Das Kritierium für die Auswahl des Maskenmaterials ist beispielsweise die Kompatibilität mit dem Material der Zielsubstrate (um Kontaminationen durch Sputtereffekte auszuschließen) und ein Abbremsvermögen für hochenergetischen Ionen derart, dass Maskenstrukturen mit hohen Aspektverhältnissen hergestellt werden können.
  • Es ist auch möglich, dass Maskenmaterial und Substratmaterial des Monitoringchips aus dem gleichen Material hergestellt sind. Maske und Substrat können auch monolithisch hergestellt sein. In diesem Fall ist meist weder eine Wiederverwendung der Maske noch des Substrates möglich.
  • Durchführung und Auswertung der maskierten Struktur nach der Ionenimplantation:
    1. 1. Durchführung der energiefiltermodifizierten Ionenimplantation
    2. 2. Entfernung der Maske, ggfs. nicht unbedingt notwendig, da die Auslesemessung auch reflektierend von der Rückseite des Substrates erfolgen kann.
    3. 3. Optische Messung
      1. a. Absorptionsspektrum, wellenlängenaufgelöst
      2. b. Transmissionsspektrum, wellenlängenaufgelöst
      3. c. Reflektivität, wellenlängenaufgelöst
      4. d. einfache globale Absorption, d.h. nicht wellenlängenaufgelöst
      5. e. einfache globale Transmission, d.h. nicht wellenlängenaufgelöst
      6. f. Messung Änderung des Brechungsindexes
      7. g. Änderungen der Polarisation
    4. 4. Vergleich mit Eichkurve oder Vergleichsstandard und somit Feststellung, ob der Implantprozess wie erwartet abgelaufen ist.
  • Durch Anwendung der erläuterten Monitoringstrukturen können folgende Implantparameter getestet werden:
    1. A. Tiefenabhängige Dosis, somit Test auf Degradation des Filters und Test auf korrekt maschinenseitig eingestellte Implantdosis
    2. B. Maximaler/minimaler Projected Range, somit Test auf Anwendung der korrekten Implantenergie; Test auf Degradation des Filters und korrekt hergestellte Filterstrukturen.
    3. C. Winkelverteilung der implantierten Ionen, somit Test auf Degradation des Filters, Test auf korrekte Ausbildung des Filters, Test auf korrekte geometrische Anordnung in der Implantationskammer.
  • Monitoring der Tiefenverteilung der implantierten Ionen
  • Ad A. Tiefenabhängige Dosis
  • In den folgenden 47, 48, 49, 50 ist beispielhaft das Monitoring der durch den Energiefilter eingestellten Tiefenverteilung der implantierten Ionendosis erläutert. In diesem Beispiel gelten folgende vereinfachende Annahmen:
    • - Die Veränderung der optischen Eigenschaften ist nur durch die lokal implantierte Ionendosis und die dadurch verursachten Eigendefekte erzeugt.
    • - Ionen welche beispielsweise das Tiefengebiet III mit der Ionenkonzentration C1 (49) nur durchqueren (um in den Konzentrationsbereich C2 zu gelangen) führen zu keiner weiteren Veränderung der optischen Eigenschaften.
    • - Denkbar wäre, dass genau eine solche Veränderung der optischen Eigenschaften z.B. in PMMA durch elektronisches Abbremsen zu beobachten wäre.
    • - Dies ist für die prinzipielle Auswertbarkeit kein Problem, soll aber im Beispiel der 49 und 50 aus Gründen der Vereinfachung ausgeschlossen sein.
  • 47 zeigt ein beispielhaftes Konzentrationstiefenprofil, das durch einen Energiefilter hergestellt wurde. 48 illustriert ein Beispiel einer Maskenstruktur für das Monitoring der tiefenabhängigen Dosisverteilung.
  • Die in 48 beschriebenen Maskenstrukturen sind je nach gewünschter Tiefenauflösung in ihrer Dicke und Anzahl gestaffelt, bzw. als „schiefe Ebene“ oder kontinuierliche Rampe ausgeführt.
  • Für die größte Dicke gilt bevorzugt: „Dicke der Maske“ > Rp, max.
  • Die lateralen Abmessungen der Einzelstrukturen, können je nach Erfordernissen der Ausleseapparatur von Quadratmikrometern, über Quadratmillimetern bis hin zu Quadratzentimetern groß sein.
  • Ad B. Monitoring des maximalen Projected Range
  • In 51 ist eine Struktur dargestellt, welche geeignet ist den maximalen Projected Range zu monitoren.
  • Analoge Strukturen, unter Anwendung von Auswerteprozeduren wie unter A. beschrieben, auch zur Messung bzw. Überwachung des minimalen Projected Range zur Anwendung kommen.
  • Ad C. Monitoring der Winkelverteilung der implantierten Ionen
  • Es ist bekannt, dass das Energiefilter für Ionenimplantation ein energieabhängiges Spektrum an Ionenwinkeln nach dem Durchgang durch den Filter erzeugt.
  • Prinzipiell gilt, daß bei senkrechter monoenergetischer Ioneninzidenz auf den Filter nach dem Filter die resultierenden niederenergetischen Ionen stärker gestreut werden, als die hochenergetischen.
  • Die resultierende Winkelverteilung ist somit eine Funktion der Filtergeometrie, der Veränderung der Geometrie während der Lebensdauer des Filters, dem Auftreten von Channelingeffekten, der eingesetzten Ionensorte, der Primärenergie, der resultierenden Maximal- und Minimalenergie der transmittierten Ionen und der geometrischen Anordnung in der Implantationskammer. Alle diese Parameter können durch das Monitoring der Winkelverteilung überwacht werden.
  • Für das Monitoring einzelner Parameter werden unterschiedliche Maskenstrukturen, die in einem Monitoringchip angeordnet sein können, vorgeschlagen, siehe 52, 53, 54, 55, 56 und 57.
  • Es ist zu beachten, dass für die Evaluierung der Winkelverteilung häufig nur das Aspektverhältnis der Maskenstruktur ausschlaggebend ist.
  • Somit können die Öffnungsgrößen der Maskenstrukturen für dünne Masken die nur wenig dicker als der maximale Projected Range im Maskenmaterial sind, im Mikrometer oder Submikrometerbereich liegen.
  • Solche Monitoringstrukturen werden bevorzugt als Arrays angeordnet, die aus vielen Einzelstrukturen bestehen um eine globale (d.h. auf einer Fläche von mehreren mm2 oder cm2) optische Auswertung durchführen zu können.
  • Im Gegensatz hierzu können bei gleichen Aspektverhältnissen und z.B. Maskendicken im Millimeterbereich, die Öffnungsgrößen im Millimeter- oder Zentimeterbereich liegen. In diesen Fällen ist auch die Auswertung von Einzelstrukturen, die nicht in einem Array angeordnet sind ohne übergroßen technischen Aufwand möglich.
  • Vorgeschlagene Maskenstrukturen:
    1. 1. Feste Maskendicke, Maskenöffnungen verschiedener Geometrie → Variation des Aspektverhältnisses
    2. 2. Variable Maskendicke, feste Geometrie der Maskenöffnung → Variation des Aspektverhältnisses
    3. 3. Mischungen aus 1 und 2
    4. 4. Durch die Anordnung mehrerer Arrays (oder von Einzelstrukturen) aus jeweils 1, 2 oder 3 in zueinander verschiedenen Winkeln kann die Richtungsabhängigkeit der Winkelverteilung überwacht werden.
  • Kreisförmige Anordnungen sind auch denkbar.
  • 52 zeigt eine Maskenstruktur. 53 zeigt ein Strukturarray nach Implant. 54 veranschaulicht eine Maskenstruktur bei variabler Maskendicke und fester Öffnungsgröße. 55 zeigt eine Maskenstruktur mit fester Maskendicke, einem nicht senkrechtem Flankenwinkel sowie mit einem positiven Profil und Retrograd.
  • 56 zeigt eine Maskenstruktur zum Monitoring von asymmetrischen Winkelverteilungen.
  • Wie in 57 dargestellt, sind neben den ineinander verschachtelten Kreisringen, auch einzelne Kreise und Kreisringe unterschiedlicher Dimensionierung besonders vorteilhaft beim Monitoring der Winkelverteilung der durch den Energiefilter transmittierten Ionen.
  • Der Kern der zuletzt erläuterten Aspekte besteht darin, die (im wesentlichen) dosisabhängige Modifikation der (bevorzugt) optischen Parameter eines Materials für das „as implanted“ Monitoring des Energiefilterimplantationsprozesses anzuwenden. Hierdurch kann durch eine (beispielsweise) optische Messung das resultierende Implantationsergebnis in seinen wichtigsten Parametern möglichst vollständig überwacht werden, ohne dass eine aufwändige Nachprozessierung (z.B. Annealing und Aufbringen von metallischen Kontakten) durchgeführt werden muss.
  • Es ergibt sich somit die Möglichkeit kostengünstig und schnell Fehlimplantationen erkennen und ggfs. betroffene Wafer aussortieren zu können.
  • 58 zeigt eine Anpassung eines Profilübergangs zweier Implantationsprofile A und B in geschickter Art und Weise, sodass das resultierende Gesamtkonzentrationsprofil beispielsweise ein gewünschtes homogenes Profil erzeugen kann. Dies kann (muss aber nicht) insbesondere bei Schichtsystemen aus 2 Schichten wie im hier gezeigten Bild vorteilhaft sein. Vorschlag für eine Realisierung mit folgender Prozessreihenfolge: 1) Dotieren der unteren Schicht (Implant B). 2) Aufwachsen der oberen Schicht. 3) Dotieren der oberen Schicht. Bei der Ausgestaltung des hochenergetischen Schwanzes des Implant A bleiben nur begrenzte Möglichkeiten, allerdings kann der niederenergetische Schwanz von Implant B insbesondere durch das Einbringen einer Opferschicht beeinflusst werden, wie sie in „15: Modifizierung des Dotierprofils im Substrat mittels Opferschicht“ beschrieben ist. Vorschlag für eine Realisierung mit folgender Prozessreihenfolge: 1) Aufwachsen Opferschicht. 2) Dotieren der unteren Schicht (Implant B). 3) Entfernen der Opferschicht 4) Aufwachsen der oberen Schicht. 5) Dotieren der oberen Schicht.
  • Die oben erläuterten Konzepte ermöglichen produktionstaugliche Implantationsverfahren für die Halbleiterindustrie, d.h. eine wirtschaftliche Anwendung von Implantationsverfahren in einem industriellen Produktionsprozess. Neben den durch einfache dreiecksförmige Filterstrukturen zu realisierenden homogenen Dotierungen ermöglichen die erläuterten Konzepte insbesondere eine sehr flexible (Multifilterkonzept) Realisierung komplexer vertikaler Dotierkonzentrationsverläufe mit geringer Winkelverteilung der implantierten Ionen. Insbesondere können alle Arten von Dotierkonzentrationsverläufen durch die Verwendung dreiecksförmige Filterstrukturen in Verbindung mit Kollimatorstrukturen approximiert werden. Ein weiterer wichtiger Aspekt betrifft die Unterdrückung von Artefakten, welche die Ionenstrommessung auf dem Substrat verfälschen.
  • Abschließend sei nochmals darauf hingewiesen, dass die oben unter Ad 1. bis Ad 19. erläuterten Maßnahmen jeweils für sich allein, aber auch in beliebiger Kombination miteinander verwendet werden können. So kann beispielsweise die erläuterte „End-of-Life“-Erkennung auf ein durch einen Rahmen gehaltenes Filter angewendet werden,, kann aber auch auf ein anderweitig gehaltenes Filter angewendet werden.
  • Weiterhin kann der oben erläuterte Wafer ein Halbleiterwafer sein, kann aber auch aus einem anderen zu implantierenden Material bestehen, wie beispielsweise PMMA.
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Claims (17)

  1. Verfahren, das aufweist: Implantieren von Ionen in einen Wafer durch Bestrahlen des Wafers mit einem lonenstrahl über eine Implantationsvorrichtung, die einen Filterrahmen und ein durch den Filterrahmen gehaltenes Filter aufweist, wobei das Filter dazu ausgebildet ist, von dem lonenstrahl durchstrahlt zu werden, und wobei das Filter ein Energiefilter ist, das als mikrostrukturierte Membran ausgebildet ist, wobei die Filterfläche größer als die Fläche des Wafers ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Filterrahmen das Filter vollständig oder nur teilweise entlang von Kanten des Filters umgibt.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem der Filterrahmen aus einem anderen Material als das Filter besteht.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Filterrahmen in einen Filterhalter an der Kammerwand der Implantationskammer eingesetzt ist.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Filter wenigstens zwei unterschiedlich strukturierte und nebeneinander angeordnete Filterelemente aufweist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Filterelemente in dem Filterrahmen beabstandet zueinander angeordnet sind.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Filterelemente in dem Filterrahmen unmittelbar aneinander angrenzen.
  8. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Filterelemente abgeschrägte Seitenflächen aufweisen und an den abgeschrägten Seitenflächen aneinander grenzen.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Filterrahmen beschichtet ist.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Filter wenigstens abschnittsweise eine Struktur aufweist, die im Querschnitt trapezförmig ist.
  11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Kollimatorstruktur vor oder auf dem Filter angeordnet ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Kollimatorstruktur wenigstens eine Röhre mit einer Länge und einer Breite aufweist, wobei ein Verhältnis von Breite zu Länge kleiner als 1, kleiner als 2, kleiner als 5 oder kleiner als 10 ist.
  13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein elektronisch auslesbarer Speicher mit einer in dem Speicher abgespeicherten Information über das Filter in der Implantationsvorrichtung vorgesehen ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Information wenigstens eine der folgenden aufweist: eine Signatur; eine maximal zulässige Temperatur des Filters; und eine maximal zulässige Durchstrahlungsdosis.
  15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Filter eine Schichtstruktur mit wenigstens zwei unterschiedlichen Materialschichten aufweist, die in einer Durchstrahlungsrichtung übereinander angeordnet sind.
  16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das weiterhin aufweist: Anordnen einer Monitoringstruktur auf dem Wafer und Implantieren in die Monitoringstruktur.
  17. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das weiterhin aufweist: Bewegen des Wafers unter dem lonenstrahl.
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Title
CSATO, Constantin [et al.]: Energy filter for tailoring depth profiles in semiconductor doping application. In: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, Vol. 365, 2015, Part A, S. 182-186. - ISSN 0168-583X *

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