DE19700856C2 - Ionenquelle für eine Ionenstrahlanlage - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung ist eine Zusatzpatent zum deu­ tschen Hauptpatent 196 18 734 und betrifft eine Ionenquelle für eine Ionenstrahlanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ionenquellen finden ihre technische. Anwendung in Bereichen, in denen ein großflächiger homogener Ionenstrahl erforder­ lich ist. Dies ist beispielsweise bei der Großflächenionen­ implantation zur Dotierung von Halbleitern, bei der Tribo­ logie zur Oberflächenhärtung und bei der ionenstrahlunter­ stützten Beschichtung der Fall.

Der Trend in der Ionenimplantation für die hochintegrierte Mikroelektronik geht zu geringeren Ionenenergien bei größe­ ren Implantationsflächen. Die Höchstintegration mit mehr als 10⁷ Bauelementen pro Schaltung verlangt eine Reduzierung der pn-Übergangstiefe. Zum Beispiel sind in der CMOS-Technologie für die Drain- und die Source-Elektrodeultraflache pn-Übergänge mit einer Tiefe von weniger als 100 nm erforderlich. Die Her­ stellung von immer flacheren pn-Übergängen bereitet vor allem bei der Implantation von Bor für p⁺-Gebiete große technologische Schwierigkeiten. Die hierfür erforderlichen Anforderungen an die Ionenimplantation, wie z. B. eine ge­ ringe Ionenenergie deutlich unterhalb von 30 keV, hoher Ionenstrom bzw. hoher Durchsatz, paralleler Strahl bei großen Implantationsflächen und hohe Homogenität, werden von derzeit erhältlichen kommerziellen Anlagen nicht erfüllt.

Ein weiteres Leistungsmerkmal für zukünftige Halbleiterfer­ tigungsgeräte ist die Integrierbarkeit in sogenannten Mehr­ kammerprozeßanlagen, die auch als Cluster-Systeme bezeichnet werden. Dies erfordert die Entwicklung kleiner Prozeßmodule, die von einem zentralen Roboter mit Prozeßscheiben bedient werden können. Solche System haben den Vorteil, daß mehrere Prozeßschritte in einer Anlage ausgeführt werden können. Durch die steigende Anzahl an Prozeßschritten bei der Halb­ leiterfertigung und höhere Anforderungen an die Flexibilität des Fertigungsprozesses gewinnen solche Anlagen immer mehr an Bedeutung. Herkömmliche Implantationsanlagen eignen sich nicht für eine Integration in eine Mehrkammerprozeßanlage, da sie in ihren Abmessungen zu groß sind. Die immer kom­ plexer und teuerer werdenden kommerziellen Anlagen erfordern weiterhin einen hohen Wartungsaufwand und eine große Rein­ raumfläche, was wiederum zu hohen Betriebskosten führt.

Um den genannten Anforderungen Rechnung tragen zu können, ist eine neue Ionenstrahltechnologie nötig. Eine Möglichkeit bietet die sogenannte "Plasma Immersion Ion Implantation", kurz PIII. In solchen Anlagen wird mittels hochfrequenter elektromagnetischer Anregungen ein Plasma in der Implanta­ tionskammer ausgebildet. Die Ionendichte in diesem Bereich beträgt in der Regel 10¹⁰ bis 10¹¹ cm^-3. Durch Anlegen einer negativen Spannung, die bis zu einigen Kilovolt betragen kann, werden die positiven Ionen aus dem Plasma in Richtung einer Probe, die zu bearbeiten ist, beschleunigt. Eine PIII-Anlage hat eine Reihe von Vorteilen, wie z. B. hoher Ionenstrom, niedrige Prozeßkosten und ist ein kompaktes, wartungsarmes System, welches sich sehr gut für Mehrkammer­ prozeßanlagen eignet.

Obwohl das PIII-Verfahren schon lange bekannt ist, konnte es sich bisher nicht bei der Implantation bei der Halbleiter­ technologie durchsetzen. Die Gründe hierfür sind die un­ scharfe Energieverteilung (Energiekontamination), die inho­ mogene Dosisverteilung und die Kontamination der Proben mit Schwermetallen oder unerwünschten Ionenarten.

Bekannte Ionenquellen für die Erzeugung großflächiger Ionen­ strahlen sind die Hochfrequenz- und die Elektro-Zyklotron- Resonanz-Ionenquelle.

Bei Hochfrequenz-Ionenquellen (HF-Ionenquelle) liegt der Ar­ beitsdruck bei etwa 10^-3 bis 10^-2 mbar. Bei diesen Ionen­ quellen ist die einfache Bauart und der geringe Leistungsbe­ darf von Vorteil. Die Hochfrequenz wird kapazitiv bzw. in­ duktiv eingekoppelt. Ist ein sehr sauberes Plasma erforder­ lich, besteht der Plasmareaktor aus einem Quarzdom. Durch die Verwendung eines Quarzdoms wird die Hochfrequenzeinkopp­ lung und ein gleichmäßig verteilter Gaseinlaß in den Plasma­ raum erschwert. Um diese Nachteile, die zu inhomogenen, Ionenverteilungen und höheren Arbeitsdrücken führen, zu ver­ meiden, werden bei vielen Herstellern Metallteile im Plas­ maraum eingesetzt. Dies wiederum führt zu einer Metallkonta­ mination auf den Prozeßscheiben und schließt eine Verwendung dieser Ionenquellenart für die großflächige Ionenimplanta­ tion aus. Die herkömmlichen großflächigen HF-Ionenquellen sind deshalb nur für Ionenätzen geeignet. Da beim Ätzen sich die Kontaminationen an der Oberfläche befinden und nicht in den Halbleiter implantiert werden, können diese wieder ent­ fernt werden.

Elektron-Zyklotron-Resonanz-Ionenquellen (ECR-Ionenquellen) zeichnen sich aufgrund der Elektron-Zykletron-Resonanz durch eine höhere Plasmadichte (10¹² bis 10¹³ cm^-3) als Hochfre­ quenzplasmen (10¹⁰ bis 10¹¹ cm^-3) aus. Daher arbeiten diese Quellen bei einem geringeren Prozeßdruck im Bereich von 10^-5 bis 10^-2 mbar. Ein Nachteil der ECR-Ionenquellen ist die durch das Magnetfeld entstehende Divergenz des Ionenstrahls. Ebenso wie im Falle der HF-Quellen ist für Anwendungen im Halbleiterbereich zur Reduzierung der Kontaminationn ein Quarzdom erforderlich. Dies erschwert auch hier den gleich­ mäßig verteilten Gaseinlaß und die Mikrowelleneinkopplung. Es werden daher bei manchen Herstellern Metallteile im Plasmaraum verwendet. Die ECR-Quellen werden für die her­ kömmliche Ionenimplantation (mit Massenseparation) und für Ätzanwendungen verwendet. Für die großflächige Ionenimplan­ tation sind sie aus den bisher ungelösten Kontaminationspro­ blemen und aufgrund der hohen magnetischen Felder nicht ein­ setzbar. Weiterhin nimmt mit zunehmender Größe die Homogeni­ tät des Plasmas ab, da die ECR-Bedingung meist nur am Rand des Plasmas erfüllt wird. Eine solche ECR-Ionenquelle ist beispielsweise aus der DE 37 08 716 A1 bekannt.

Eine weitere bekannte Ionenquelle ist die sogenannte Kauf­ mannionenquelle, die jedoch für viele Anwendungen aus Konta­ minationsgründen ausscheidet. Besonders problematisch bei der Verwendung von Kaufmannionenquellen ist die Korrosion und das Absputtern der Glühkathode.

Im Stand der Technik sind Ionenstrahlanlagen bekannt, die sogenannte Ionenoptiken verwenden. Bisherige Ionenoptiken für großflächige Ionenstrahlen sind jedoch auf die Extrak­ tion und die Beschleunigung von Ionen aus dem Plasma be­ grenzt. Es ist mit diesen bekannten Ionenoptiken nicht mög­ lich, einen großflächigen Ionenstrahl abzulenken, ohne die Homogenität des Ionenstrahls zu beeinträchtigen und ohne eine zusätzliche Kontaminationsquelle in den Ionenstrahl einzubringen. Da die bisherigen Gitter oder Ablenkeinrich­ tungen aus Metall oder Graphit bestehen, wird durch Ionen­ strahlzerstäubung Material abgetragen, welches die Halblei­ terproben kontaminiert. Ein weiteres Problem bei den bisher­ igen Gittern besteht darin, daß die Gitterstruktur auf der Prozeßscheibe abgebildet wird. Extraktionsgitter sind bei­ spielsweise in der DE 43 15 348 A1 und in der DE 36 01 632 A1 beschrieben.

Im Stand der Technik sind Implantationsanlagen bekannt, bei denen eine Ionenquelle vorgesehen ist, die einen Ionenstrahl erzeugt, welcher im Vergleich zur Probe dünn ist. Diese be­ kannten Implantationsanlagen umfassen neben der Ionenquelle eine Massenseparation, eine Beschleunigungsröhre und eine Implantationskammer mit mechanischer Ablenkung. Die Massen­ separationseinheiten dieser bekannten Ionenimplantations­ anlagen bestehen aus zumindest zwei sich gegenüberliegenden, sogenannten Anlaysemagneten, zwischen denen der von der Io­ nenquelle abgegebene dünne Ionenstrahl hindurchläuft, wobei durch den Einfluß der Magneten eine Analyse des Ionenstrahls derart erfolgt, daß bestimmte Ionen innerhalb des Ionen­ strahls durch die Magnetwirkung stärker aus ihrer Flugbahn abgelenkt werden, so daß diese daran gehindert werden, einen nachfolgend zu der Analyseregion angeordneten Separations­ schlitz zu durchlaufen. Auf diese Weise, sind in dem dünnen Ionenstrahl lediglich die erwünschten Ionen enthalten. Solche Ionenimplantationsanlagen sind beispielsweise in der EP 0405855 A2 und in der US-A-5,396,076 beschrieben.

Der Nachteil dieser bekannten Ionenimplantationsanlagen be­ steht darin, daß diese nicht dazu geeignet sind, eine groß­ flächige Ionenimplantation herbeizuführen, so daß auf eine aufwendige Rasterung der Proben bei diesen bekannten Implan­ tationsanlagen nicht verzichtet werden kann. Ferner ermög­ lichen diese bekannten Implantationsanlagen auch nicht die Erzeugung eines großflächigen Ionenstrahls und sehen daher auch keine Möglichkeit einer Ablenkung eines solchen groß­ flächigen Ionenstrahls sowie eine Massenseparation eines solchen großflächigen Ionenstrahls vor. Ein weiterer Nach­ teil dieser bekannten Ionenimplantationsanlagen besteht darin, daß diese einen aufwendigen Aufbau haben, bei dem gegenüberliegend zumindest zwei Magneten zur Beeinflussung des zwischen diesen Magneten hindurchlaufenden Ionenstrahls vorzusehen sind. Ferner ist am Ausgang der Separationsein­ heit eine Schlitzstruktur vorzusehen, die den erwünschten Ionenstrahl durchläßt.

Die JP 2-20018 A betrifft eine Elektrodenstruktur für einen Plasmareaktor, und der Plasmareaktor umfaßt eine obere Elek­ trode, die mit einer Hochfrequenzleistungsquelle verbunden ist, und eine untere Elektrode. Beide Elektroden sind in einem oberen Abschnitt einer Kammer angeordnet. Ein Dotier­ gas wird in die Kammer durch eine Gaszuführungsröhre zuge­ führt und fließt zwischen die Elektroden in einem laminaren Fluß oder durch Diffusion. Um nunmehr eine Dotierung einer Probe ohne Kontamination durch Elektrodenkomponenten zu er­ reichen, wird eine Elektrode verwendet, die aus dem Material besteht, mit dem der Wafer zu dotieren ist.

Die JP 6-208837 A betrifft eine Gitterstruktur für einen Ionenstrahlprozessor, welche aus plattenartigen Strukturen bestehen, die in der Plasma-Ätz-Technologie Verwendung finden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen­ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Ionenquelle zu schaffen, die eine einfache Massenseparation eines groß­ flächigen Ionenstrahls ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Ionenquelle gemäß dem Anspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Ionenquelle zur groß­ flächigen Implantation von Ionen in eine Probe, mit einer Anode, einer Kathode, die aus demselben Material, aus dem die Probe besteht, zu der Ionen aus der Ionenquelle abgege­ ben werden, oder aus einem Material hergestellt ist, das für die Probe keine Kontamination darstellt; und einem zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Plasmaraum, wobei der Plasmaraum geschlossen ist, wobei die Kathode eine Multi­ schlitzstruktur mit nebeneinander angeordneten Schlitzen, die durch Stege getrennt sind, umfaßt, die von den Ionen durchlaufen wird, und so ein Multi-Bandstrahl erzeugt wird, und wobei an die Kathode oder an nachfolgende Multischlitz­ strukturen zur Extraktion und Beschleunigung des Multi-Band­ strahls eine Spannung zur Erzeugung eines senkrecht zum Io­ nenstrahl liegenden elektrischen Feldes derart anlegbar ist, daß benachbarte Stege unterschiedliche Polaritäten aufweisen, wobei die Multischlitzstruktur der Kathode und/oder die nachfolgenden Multischlitzstrukturen durch parallel zueinander angeordnete Platten gebildet sind, an die ein elektrisches Wechselfeld anlegbar ist.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Er­ findung ist an dem der Probe zugewandten Ende der Multi­ schlitzstruktur der Kathode oder der nachfolgenden Multi­ schlitzstrukturen eine Multischlitzgitterstruktur derart an­ geordnet, daß deren Stege im Strahlengang des Ionenstrahls liegen.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß mittels der neuartigen Ionenquelle ein kontaminationsfreier Ionenstrahl erzeugt, extrahiert, abgelenkt und beschleunigt werden kann, wobei die für die Erzeugung, Extrahierung, Ablenkung und Beschleunigung wesentlichen Elemente der Ionenquelle und der Ionenoptik gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel aus Silizium bestehen und deshalb für sehr saubere Prozesse in der Siliziumhalbleitertechnologie geeignet sind.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht dar­ in, daß mittels der erfindungsgemäßen Ionenquelle die oben beschriebenen Nachteile der bekannten Implantationsanlagen reduziert bzw. vollständig ausgeräumt werden und ferner ein kostengünstiges, kompaktes und integrierbares System mit hohem Durchsatz und niedrigen Betriebskosten geschaffen wird, das speziell für die Implantation von hohen Dosen bei niedriger Energie, kleiner als 10 keV, geeignet ist.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß mittels der neuar­ tigen Ionenoptik, die beispielsweise aus Silizium besteht, der Ionenstrahl kontaminationsfrei extrahiert, beschleunigt und/oder abgelenkt werden kann, ohne daß sich eine Gitter­ struktur auf der Prozeßscheibe abbildet. Ferner kann die Form des Ionenstrahls dem Substrat bzw. der Prozeßscheibe angepaßt werden, wobei die Größe hierbei beliebig ist. Somit eignet sich die erfindungsgemäße Ionenquelle auch für die Prozessierung von quadratischen Substraten, wie z. B. für LCD-Anzeigen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ionenquelle besteht darin, daß es nun möglich ist, die Vorteile der Plasmadotierung mit den Vorteilen der herkömmlichen Ionenim­ plantation zu verbinden. Es wird ein modernes, leistungs­ fähiges Halbleiterfertigungsgerät geschaffen, das den Anfor­ derungen in der Ionenimplantationstechnik nach immer höherem Durchsatz bei niedriger Energie und hoher Dosis gerecht wird.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht dar­ in, daß ein sehr sauberes Plasma und somit ein kontamina­ tionsfreier Ionenstrahl erzeugt wird, da der Plasmaraum z. B. vollständig mit Quarzglas und Silizium abgeschirmt ist. Fer­ ner wird eine optimale Hochfrequenzeinkopplung sicherge­ stellt, da sich die Elektroden unmittelbar am Plasma befin­ den und den Plasmaraum abgrenzen.

Wiederum ein weiterer Vorteil besteht darin, daß ein sehr homogenes Plasma auch bei großen Flächen erzeugt werden kann, wobei im Gegensatz zu anderen Plasmaquellen die Homo­ genität mit steigender Fläche bei einem Parallelplatten-Re­ aktor zunimmt.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Form des Ionen­ strahls beliebig ist und somit der Form der zu bearbeitenden Probe angepaßt werden kann. Ferner wird eine kontaminations­ freie Auskopplung der Ionen aus dem Plasma durch Verwendung eines Siliziumgitters oder eines Siliziumschlitzgitters sichergestellt. Durch sogenanntes Wobbeln bzw. Ablenken des Ionenstrahls wird die Abbildung der Gitter auf den Prozeß­ scheiben verhindert.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß mittels der neuen Ionenquelle es ermöglicht wird, sehr kurze Implantationszeiten bei hohen Dosen zu erreichen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ionenquelle be­ steht darin, daß diese für Anwendungen, die einen groß­ flächigen Ionenstrahl erfordern, der direkt (ohne Massen­ separation, Ablenk- und Fokussiereinheit) auf die Probe zu beschleunigen ist, besonders gut geeignet ist.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Nachfolgend werden anhand der beiliegenden Zeichnungen be­ vorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der HF-Ionenquelle gemäß dem Hauptpatent;

Fig. 2 eine Mehrfach-Schlitzgitterstruktur gemäß dem Haupt­ patent;

Fig. 3 eine Mehrfach-Schlitzgitterkammstruktur gemäß dem Hauptpatent;

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Ablenkung von Io­ nenstrahlen mittels einer Ionenoptik gemäß dem Hauptpatent;

Fig. 5a eine Draufsichtdarstellung des erfindungsgemäßen Multi-Plattensystems;

Fig. 5b eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Multi- Plattensystems; und

Fig. 5c eine vergrößerte Darstellung der Seitenansicht aus Fig. 5b; und

Fig. 6 eine HF-Plasmaquelle gemäß dem Stand der Technik.

Bevor nachfolgend bevorzugte Ausführungsbeispiele der vor­ liegenden Erfindung näher beschrieben werden, erfolgt zu­ nächst eine kurze Beschreibung einer herkömmlichen HF-Plas­ maquelle für Ätzanwendungen anhand der Fig. 6.

In Fig. 6 ist eine herkömmliche Plasmaquelle in ihrer Ge­ samtheit mit dem Bezugszeichen 700 bezeichnet. Die HF-Pla­ smaquelle umfaßt eine sogenannte Duschelektrode 702, die mit Masse verbunden ist. Die Gegenelektrode ist durch den Pro­ benhalter 704 gebildet, auf dem eine zu bearbeitende Probe 706 angeordnet ist. Zwischen der Elektrode 704 und der Duschelektrode 702 ist der sogenannte Plasmaraum 708 defi­ niert. In dem Plasmaraum 708 wird durch Beschicken desselben mit einem Gas, wie es durch die Pfeile 710 angedeutet ist, und durch Anlegen einer Hochfrequenzspannung an den Proben­ halter 704 ein Plasma 712 erzeugt.

Die in Fig. 6 dargestellte HF-Plasmaquelle stellt eine ein­ fache Art dar, ein sehr homogenes Plasma zu erzeugen. Dies wird durch Anlegen der Hochfrequenzspannung U_HF zwischen der Duschelektrode 702 und der Elektrode 704 erreicht. Dieses Prinzip findet vielfach in Ätzmodulen Verwendung, wobei die zu ätzende Siliziumscheibe 706 bereits auf einer Metallglat­ tenelektrode 704 aufliegt. Da das Plasma 712 direkt über der Siliziumscheibe 706 ausgebildet ist und die beiden Platten­ elektroden 702 (Duschelektrode in Fig. 6) und 704 aus Metall bestehen, treten in einem solchen System Strahlenschäden und eine Metallkontamination an der Oberfläche der Silizium­ scheibe auf. Diese Art der Plasmaerzeugung kann daher nur für Ätzanwendungen oder plasmaunterstützte Schichtabschei­ dungen verwendet werden.

Anhand der Fig. 1 wird nachfolgend ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Ionenoptik im Zusammenwirken mit einer Ionenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung näher be­ schrieben. Es wird darauf hingewiesen, daß in der nachfol­ genden Beschreibung der vorliegenden Erfindung in den Zeich­ nungen für gleich wirkende Elemente die gleichen Bezugszeichen ver­ wendet werden.

In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Ionenquelle in ihrer Ge­ samtheit mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet. Es wird dar­ auf hingewiesen, daß in Fig. 1 neben der erfindungsgemäßen Ionenquelle 100 noch weitere Elemente einer Ionenstrahlan­ lage dargestellt sind, wie z. B. eine Ionenoptik 102, die zum Extrahieren und/oder Ablenken von aus der Ionenquelle 100 zu einer Probe 104 abgegebenen Ionen dient. Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt die erfindungsgemäße Ionenquelle 100 eine Anode 106, die mit Masse verbunden ist und eine Kathode 108, an die eine HF-Spannung U_HF anlegbar ist. Zwischen der Anode 106 und der Kathode 108 ist ein Plasmaraum 110 defini­ ert. Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Ionenquelle wird ein zu ionisierendes Gas in den Plasmaraum 110 eingeleitet, wie dies durch die Pfeile 112 in Fig. 1 dargestellt ist. Auf­ grund der Art der Einführung des Gases in den Plasmaraum 110 wird die Anode 106 auch als Duschelektrode bezeichnet. Eben­ falls ist es möglich, den Gaseinlaß von der Anode zu tren­ nen, z. B. durch einen ringförmigen Gaseinlaß zwischen der Anode und der Seitenwand 126. Zur Erzeugung eines Plasmas 114 innerhalb des Plasmaraums 110 wird an die Kathode 108, die beispielsweise als Gitterelektrode ausgebildet ist, eine Hochspannung U_HF angelegt.

Wie aus der obigen Beschreibung der erfindungsgemäßen Ionen­ quelle deutlich wird, weist diese einen sogenannten Paral­ lelplattenreaktor auf, der die nachfolgend näher beschrie­ benen entscheidenden Ergänzungen aufweist. Die Anode und Ka­ thode, d. h. die Elektroden 106, 108 bestehen gemäß der vor­ liegenden Erfindung nicht aus einem Metall, sondern aus dem­ selben Material, aus dem die Probe 104 besteht. Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die Elek­ troden 106, 108 aus einem Halbleitermaterial, wobei die un­ terste Elektrode 108 beispielsweise in der Form eines Git­ ters ausgebildet ist oder eine geeignet geformte Lochstruk­ tur aufweist oder aus einer Siliziumplatte mit mehreren Schlitzen besteht. Die Elektrode 108 kann gleichzeitig zu der Erzeugung des Plasmas auch die Extraktion der Ionen aus dem Plasmaraum 110 ermöglichen. Wie es aus Fig. 1 zu erken­ nen ist, brennt das Plasma 114 nicht direkt über der Probe 104, sondern ist von dieser beabstandet. Durch die Verwen­ dung der Gitterelektrode 108 (bzw. der Schlitzelektrode) wird aus dem Parallelplattenreaktor eine Ionenquelle.

Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, ist zwischen der Ionen­ quelle 100 und der Probe 104, die auf einem Probenhalter 116 angeordnet ist, die Ionenoptik 102 angeordnet. Die Ionenop­ tik 102 umfaßt ein Extraktionsgitter 118 und eine Ionenab­ lenkeinrichtung 120, die die von der Ionenquelle 100 erzeug­ ten Ionen, die zu der Probe 104 abgegeben werden, extrahie­ ren und ablenken, wie dies durch die Ionenstrahlen 122 in Fig. 1 angedeutet ist.

An die Extraktionselektrode 118 ist eine Exktraktionsspan­ nung U_EX anlegbar. Es wird darauf hingewiesen, daß die Elek­ trode 118 beispielsweise als Gitter oder Schlitzelektrode ausgebildet sein kann. Mittels der Ablenkeinrichtung 120 er­ folgt eine Ablenkung der Ionenstrahlen 122. Die Funktions­ weise der Ionenoptik 102 wird später noch detaillierter be­ schrieben. Die Kombination der in Fig. 1 dargestellten zwei Hauptkomponenten, nämlich der Ionenquelle 100 und der erfin­ dungsgemäßen Ionenoptik 102 stellt ein Ausführungsbeispiel einer Ionenstrahlanlage 124 dar.

Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß abhängig von der vor­ gesehen Verwendung der Ionenquelle 100 auf die Ionenoptik 102 ganz oder teilweise verzichtet werden kann. Mit anderen Worten ist es beispielsweise nicht zwingend erforderlich, das in Fig. 1 dargestellte Extraktionsgitter 118 und die Ionenablenkeinrichtung 120, die beispielsweise auch in der Form eines Gitters vorliegt, vorzusehen, da einerseits die im Plasma 114 zwischen der oberen und der unteren Elektrode 106, 108 entstehende Spannung zur Ionenextraktion verwendet werden kann, und andererseits eine Spannung zwischen der Gitterelektrode 108 und dem Probenhalter 116 zur Extraktion anlegbar ist.

Ferner ist es möglich, auch nur einen Teil der Ionenoptik zusammen mit der Ionenquelle 100 vorzusehen, abhängig vom Anwendungsfall. So kann beispielsweise auf die Ionenablenk­ einrichtung 120 verzichtet werden und nur ein Extraktions­ gitter 118 vorgesehen sein. Andererseits kann, wenn die Extraktionsspannung auf die oben beschriebene Art erzeugt wird, auf das Extraktionsgitter 118 verzichtet werden, und nur die Ablenkeinrichtung 120 vorgesehen sein.

Neben den oben beschriebenen Strukturen der Kathode 108 kann diese auch eine Mehrfach-Schlitzstruktur haben.

Wie es in Fig. 1 weiter dargestellt ist, ist der Plasmaraum 110 in Bereichen, in denen er nicht durch die Anode 106 oder die Kathode 108 begrenzt ist, durch eine nicht-metallische Struktur 126 begrenzt, die beispielsweise eine Quarzstruktur ist.

Nachfolgend wird anhand der Fig. 2 bis 4 die oben angespro­ chene Ionenoptik 102 näher beschrieben. Wie es bereits im Vorhergehenden ausgeführt wurde, sind die bisher bekannten Ionenoptiken für großflächige Ionenstrahlen einfache Metall- oder Graphitgitter, mit denen nur eine Extraktion und Be­ schleunigung der Ionen möglich ist. Diese Gittersysteme ha­ ben zwei entscheidende Nachteile für die Anwendung bei der Ionenimplantation, erstens sind sie eine Kontaminations­ quelle, zweitens werfen sie einen Schatten, d. h. die Gitter werden durch den Ionenstrahl auf der zu implantierenden Pro­ be abgebildet.

Wie es bereits anhand der Fig. 1 kurz beschrieben wurde, um­ faßt die Ionenoptik 102 eine Einrichtung 118, 120, mittels der Ionen, die aus der Ionenquelle 100 zu der Probe 104 ab­ gegeben werden, extrahiert und/oder abgelenkt werden. Abhän­ gig von der erwünschten Anwendung kann hierbei entweder nur extrahiert oder nur abgelenkt oder extrahiert und abgelenkt werden.

In Fig. 2 und 3 sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der verwendeten Gitterstrukturen 200 bzw. 300 dargestellt. Die Ionenoptik 102 (Fig. 1) umfaßt eine Extraktionseinrichtung 118 und eine Ionenablenkeinrichtung 120. Die Extraktionsein­ richtung ist durch eine Mehrfach-Schlitzgitterstruktur 200 (Fig. 2) gebildet. Die Gitterstruktur 200 umfaßt einen soli­ den Umfangsabschnitt 202 sowie eine Mehrzahl von leitfähigen Stegen 204, die von dem Umfangsabschnitt 202 gehalten sind. Der Umfangsabschnitt 202 ist bevorzugterweise aus einem iso­ lierenden Material hergestellt, um somit die voneinander isolierte Anordnung mehrerer Strukturen 200 zu ermöglichen. Ferner ist die Gitterstruktur 200 mit einer Anschlußvorrich­ tung, die in Fig. 2 nicht dargestellt ist, versehen, um das Anlegen einer Spannung an die Stege 204 zu ermöglichen.

Die Ionenablenkeinrichtung der Ionenoptik 102 ist durch eine Mehrzahl von Mehrfach-Schlitzgitterstrukturen gebildet, die voneinander isoliert sind. Die Mehrfach-Schlitzgitterstruk­ tur für die Ionenablenkeinrichtung 120 kann beispielsweise durch eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Mehrfach- Schlitzgitterstrukturen gebildet sein, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Mehrfach- Schlitzgitterstruktur als Kammstruktur ausgebildet, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Die in Fig. 3 dargestellte Mehr­ fach-Schlitzgitterstruktur 300 umfaßt einen Umfangsabschnitt 302, der sich teilweise um den äußeren Umfang der Struktur 300 erstreckt. Ausgehend von dem Umfangsabschnitt 302 er­ strecken sich Stege 304, die voneinander beabstandet sind und mit dem Umfangsabschnitt verbunden sind. Die Stege kön­ nen durch eine geeignete Vorrichtung mit einer Spannungs­ quelle (nicht dargestellt) verbunden werden. Bei der Verwen­ dung einer Gitterstruktur, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, umfaßt die Ionenablenkeinrichtung 120 eine Mehrzahl von Mehrfach-Schlitzgitter-Kammstrukturen, wobei diese derart angeordnet sind, daß die Kammstrukturen (in der Form der Stege 304) ineinander geschoben sind.

Die wesentlichen Elemente der Ionenoptik, die zur Extraktion und/oder Ablenkung des Ionenstrahls 120 vorgesehen sind, be­ stehen gemäß der vorliegenden Erfindung aus demselben Mate­ rial, aus dem die Probe 104 besteht. Die Verwendung der Mehrfachschlitz-Ionenoptik, beispielsweise aus Silizium, wenn eine Siliziumprobe zu behandeln ist, hat den Vorteil, daß die Ionenoptik 120 für die Prozeßscheibe bzw. Probe 104 keine Kontaminationsquelle darstellt, da beide aus demselben Material bestehen. Das vom Ionenstrahl zerstäubte Material ist beispielsweise Silizium. Durch Verwendung eines Mehr­ fach-Schlitzsystems können die Ionen extrahiert, beschleu­ nigt und/oder abgelenkt werden. Hierbei werden zwei überein­ ander gelegte und voneinander isolierte Mehrfach-Schlitz­ scheiben 200 oder zwei ineinander geschobene Kammstrukturen 300 verwendet, wodurch es ermöglicht wird, ein elektrisches Feld senkrecht zur Ionenstrahlrichtung zu erzeugen und da­ durch einen großflächigen Ionenstrahl abzulenken, ohne des­ sen Homogenität zu beeinträchtigen. Dies ist in Fig. 4 ver­ deutlicht, in der positive Ionenstrahlen 120 dargestellt sind, die eine ineinandergeschobene Kammstruktur 300 bzw. übereinander angeordnete flache Schlitzgitter 200 durch­ laufen. Durch Erzeugung des elektrischen Feldes senkrecht zur Ionenstrahlrichtung, wie es durch die Angaben der Po­ larität vereinfacht dargestellt ist, erfolgt eine Auslenkung der Ionenstrahlen, wie es durch die Pfeile 400 dargestellt ist. Die Ionenoptik stellt somit eine Art Breitstrahlwobbel­ einrichtung, im vorliegenden Fall beispielsweise eine Sili­ ziumbreitstrahl-Wobbeleinrichtung dar, mit der auf einfache Weise das Abbilden der Gitterstruktur 200 bzw. 300 (Extrak­ tionsgitter, Beschleunigungsgitter) auf die Siliziumprozeß­ scheibe 104 verhindert wird.

Ein Vorteil der oben beschriebenen Ionenoptik besteht darin, daß diese gegenüber thermischer Ausdehnung unempfindlich ist, und somit keine mechanischen Spannungen auftreten und eine Dejustierung vermieden wird.

Ein weiterer Vorteil ist die einfache Herstellung der Struk­ turen 200 bzw. 300, die nach deren Strukturierung mit Hilfe einer Diamantsäge zu entsprechenden Scheiben mit vorbestimm­ ter Dicke erzeugt werden.

Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung hauptsäch­ lich auf Proben aus Silizium Bezug genommen wurde, wird dar­ auf hingewiesen, daß anstelle des beschriebenen Siliziums auch Proben aus anderem Material, wie z. B. Galiumarsenit oder Germanium oder ähnlichem verwendet werden können, wobei in diesem Fall zur Vermeidung der Kontamination der zu be­ arbeitenden Prozeßscheibe die oben beschriebenen Elemente der Ionenquelle aus demselben Material hergestellt sind, aus dem die zu bearbeitende Probe besteht, oder aus einem die Material hergestellt sind, das für die Probe keine Kontamination darstellt, wie z. B. Si oder C bei einer Probe aus SiC.

Nachfolgend wird anhand der Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel eine Komponente eines Multi-Bandstrahlsystems für eine ein­ fache Massenseparation eines großflächigen Ionenstrahls dar­ gestellt.

In der Fig. 5a ist eine Multischlitzstruktur 800 darge­ stellt, die einen Aluminiumkontaktring 802 sowie eine Mehr­ zahl von parallel zueinander angeordneten Platten 804 um­ faßt. Die Platten 804 sind an deren gegenüberliegenden Enden mit dem Aluminiumkontaktring 802 verbunden. Die Platten 804 sind entweder selbst aus einem leitfähigen Material herge­ stellt oder mit einer leitfähigen Schicht (nicht darge­ stellt) beschichtet, um das Anlegen eines elektrischen We­ chselfeldes zwischen die einzelnen Platten zu ermöglichen.

In Fig. 5b ist eine Seitenansicht des Multi-Plattensystems 800 dargestellt. Wie in Fig. 5b zu sehen ist, ist das Mul­ ti-Plattensystem 800 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbei­ spiel der vorliegenden Erfindung durch eine erste Teilkompo­ nente 800a und eine zweite Teilkomponente 800b gebildet. Die Teilkomponenten 800a und 800b sind durch Isolatoren 806 von­ einander isoliert. Die Isolatoren 806 dienen gleichzeitig dazu, zwischen den Komponenten 800a und 800b einen vorbe­ stimmten Abstand einzustellen. Gemäß einem bevorzugten Aus­ führungsbeispiel können die Isolatoren bzw. Abstandhalter 806 aus Teflon hergestellt sein.

Wie in Fig. 5b zu sehen ist, umfaßt jede der Teilkomponenten 800a und 800b einen Aluminiumkontaktring 802a und 802b, wobei jedoch in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen wird, daß die Verwendung eines, Aluminiumkontaktrings nicht zwin­ gend ist. Auch andere leitfähige Materialien können verwen­ det werden. Ferner können die Kontaktstrukturen 802a und 802b auch aus einem nicht leitenden Material hergestellt sein, das entweder ganz oder teilweise mit einer leitfähigen Schicht bedeckt ist. An den Kontaktringen 802a und 802b sind die einzelnen Platten 804a und 804b angeordnet. Wie es be­ reits oben ausgeführt wurde, können die Platten 804a und 804b entweder aus einem leitfähigen Material oder aus einem nicht leitfähigen Material, welches mit einer leitfähigen Schicht bedeckt ist, gebildet sein. Die Teilkomponenten 800a und 800b sind derart ausgebildet, daß die Platten parallel zueinander angeordnet sind und sich in die gleiche Richtung von den Kontaktringen erstrecken. Hierdurch ergibt sich die Kammstruktur der in Fig. 5b dargestellten Teilkomponenten 800a und 800b. Die Teilkomponenten 800a und 800b sind derart zueinander angeordnet, daß die Platten 804a der ersten Teil­ komponente 800a zwischen die Platten 804b der zweiten Teil­ komponente 800b derart eingeführt sind, daß sich zwischen den nunmehr benachbarten Platten 804a und 804b ein vorbe­ stimmter Abstand einstellt.

Ein Multi-Bandstrahl 808 tritt aus der Ionenquelle in die Anordnung 800 ein, und die einzelnen Teilstrahlen 808a laufen zwischen den parallel angeordneten Platten 804b und 804a der beiden Teilkomponenten 800b und 800a hindurch und werden in dem Bereich, in dem die Platten 804a und 804b sich gegen­ überliegen, von einem an die Einheit 800 angelegten Wechsel­ feld beeinflußt, so daß sich am Ausgang der Anordnung 800 ein gefilterter Breitstrahl 810 ergibt, der auf die Probe gerichtet ist. Das Wechselfeld zwischen den Platten 804a und 804b wird durch Anlegen einer Wechselspannung an die An­ schlüsse 812a der ersten Teilkomponente 800a und 812b der, zweiten Teilkomponente 800b erzeugt.

Die in Fig. 5b dargestellte kammförmige Struktur der Anord­ nung 800 stellt lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbei­ spiel der vorliegenden Erfindung dar. Es wird darauf hinge­ wiesen, daß auch andere Ausführungsformen möglich sind, so kann beispielsweise an Stelle der zwei Teilkomponenten 800a und 800b, an die eine elektrische Spannung angelegt wird, nur eine einzige Komponente vorgesehen sein, wobei in diesem Fall zwei Anschlüsse für das Anlegen einer elektrischen Spannung vorhanden sein müssen. Um eine Massenseparation mittels einer solchen Anordnung zu bewirken, ist es erforder­ lich, daß die Platten der Anordnung alternierend einmal mit dem ersten Anschluß und zum anderen Mal mit dem anderen An­ schluß zum Anlegen der Wechselspannung verbunden sind und die benachbarten Platten voneinander isoliert angeordnet sind, um zwischen den Platten das erforderliche Wechselfeld zu erzeugen.

Nachfolgend wird anhand der Fig. 5c, welche eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts der Anordnung 800 darstellt, das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Funktionsprinzip näher erläutert.

In Fig. 5c ist eine Platte 804a der ersten Teilkomponente 800 und eine Platte 804b der zweiten Teilkomponente 800b dargestellt, an die ein elektrisches Wechselfeld angelegt ist. Zwischen die Platten 804a und 804b tritt ein Ionen­ strahl des Multi-Bandstrahls 808 ein, läuft zwischen den Platten 804a und 804b hindurch und wird dabei durch das elektrische Wechselfeld beeinflußt, so daß am Ausgang der Platten 804a und 804b ein gefilterter Ionenstrahl 810 aus­ tritt. Bei dem in Fig. 8b und 8c dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel sind die Platten 804a und 804b aus Silizium hergestellt, um eine Kontamination einer Siliziumprobe, die mit dem Ionenstrahl 810 zu beaufschlagen ist, durch das Her­ auslösen von Teilchen aus den Platten zu vermeiden.

Leitet man, wie es in Fig. 5c dargestellt ist, einen ein­ zelnen Band- bzw. Ionenstrahl 814 zwischen den voneinander isolierten Platten 804a und 804b hindurch, so kann dieser Band- bzw. Ionenstrahl 814 durch das anliegende elektrische Wechselfeld zwischen den Platten, 804a, 804b, was auch als Wobbeln bezeichnet wird, auf Wellenbahnen gezwungen werden. Die Amplitude der Auslenkung Y des Band- bzw. Ionenstrahles ist abhängig von der Frequenz f der Wechselspannung, von dem Plattenabstand d, von der Amplitude der Wechselspannung U₀, und von der Masse der Ionen, wie es durch die nachfolgende Gleichung dargestellt ist:

Durch die angelegte Wechselspannung wird ein leichteres Ion 816, beispielsweise H⁺, stärker abgelenkt als ein schwereres Ion 818, zum Beispiel P⁺, wie dies in Fig. 5c dargestellt ist. Wählt man den Plattenabstand d kleiner als die Auslenk­ ung des leichten Ions und größer als die Auslenkung des schweren Ions, wird das leichte Ion durch Stöße mit den Platten 804a und 804b von dem schweren Ion getrennt. Es ist damit zum Beispiel möglich als Plasmagas PH₃ zu verwenden und den Wasserstoff durch das erfindungsgemäße Multi-Plattensystem herauszufiltern.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann am Ausgang des Multi-Plattensy­ stems, daß heißt an dem der Probe zugewandten Ende des Mul­ ti-Plattensystems ein Schlitzgitter 820 angeordnet sein. Das Bezugszeichen 820 bezeichnet in Fig. 5c einen Steg des Mul­ tischlitzgitters, das beispielsweise aus Silizium herge­ stellt ist. Durch das Anordnen des Silizium-Multischlitzgit­ ters am Ausgang des Multi-Plattensystems und durch Vorsehen einer vordefinierten Stegbreite können auch schwerere Ionen, wie zum Beispiel Ar⁺, welches oft als Trägergas verwendet wird, von leichteren Ionen, wie zum Beispiel B⁺ oder P⁺, ge­ trennt werden, wie dies in Fig. 5c beim Bezugszeichen 818 dargestellt ist.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Multi-Plattensystems be­ steht darin, daß im Gegensatz zu einer Struktur, die nur aus einem Multischlitzgitter besteht, das Wobbeln bei niedrige­ ren Wobbelspannungen möglich ist, da das Ion auf seiner Flugbahn länger dem elektrischen Feld quer zur Flugrichtung ausgesetzt ist.

Claims (6)

1. Ionenquelle zur großflächigen Implantation von Ionen in eine Probe (104), mit
einer Anode (106);
einer Kathode (108), die aus demselben Material, aus dem die Probe (104) besteht, zu der Ionen aus der Io­ nenquelle (100) abgegeben werden, oder aus einem Mate­ rial hergestellt ist, das für die Probe (104) keine Ko­ ntamination darstellt; und
einem zwischen der Anode (106) und der Kathode (108) angeordneten Plasmaraum (110);
wobei der Plasmaraum geschlossen ist;
wobei die Kathode (108) eine Multischlitzstruktur mit nebeneinanderliegenden Schlitzen, die durch Stege getrennt sind, umfaßt, die von den Ionen durchlaufen wird, und so ein Multibandstrahl erzeugt wird; und
wobei an die Kathode oder an nachfolgende Multischlitz­ strukturen zur Extraktion und Beschleunigung des Multi­ bandstrahls eine Spannung zur Erzeugung eines senkrecht zum Ionenstrahl liegenden elektrischen Feldes derart anlegbar ist, daß benachbarte Stege unterschiedliche Potentiale aufweisen,
gemäß dem deutschen Hauptpatent 196 18 734;
dadurch gekennzeichnet,
daß die Multischlitzstruktur der Kathode und/oder die nachfolgenden Multischlitzstrukturen durch parallel zu­ einander angeordnete Platten (804; 804a, 804b) gebildet sind, an die ein elektrisches Wechselfeld (U₀) anlegbar ist.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Multischlitzgitterstruktur, die an dem der Probe zugewandten Ende der Multischlitzstruktur der Kathode oder der nachfolgenden Multischlitzstrukturen derart angeordnet ist, daß deren Stege (820) im Strahlengang des Ionenstrahls (814) liegen.

3. Ionenquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Multischlitzstruktur der Kathode und/oder die nachfolgenden Multischlitzstrukturen eine Mehrzahl von Multischlitzgitterstrukturen umfaßt, die eine Kamm­ struktur (804a, 804b) haben, wobei die Multischlitz­ gitterkammstrukturen (804a, 804b) ineinandergeschoben sind.

4. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (106) zumindest im Fall von reaktiven Ga­ sen ebenfalls aus demselben Material, aus dem die Probe (104) besteht, oder aus einem Material hergestellt ist, das für die Probe (104) keine Kontamination darstellt.

5. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmaraum (110) in Bereichen, in denen dieser nicht durch die Anode (106) und die Kathode (108) be­ grenzt ist, durch eine nicht-metallische Struktur (126), wie etwa eine Quarzstruktur, begrenzt ist, wo­ durch eine zusätzliche induktive hochfrequenzeinkopp­ lung ermöglicht wird.

6. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekenn­ zeichnet durch einen Gaseinlaß (510), der wirksam mit einem Gasvertei­ lungsraum (506) verbunden ist, wobei der Gasvertei­ lungsraum (506) durch die Anode (106) von dem Plasma­ raum (110) getrennt ist.