DE2819114C3 - Ion implantation assembly with control of the receiving disc surface potential - Google Patents
Ion implantation assembly with control of the receiving disc surface potentialInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung, wie sie dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu entnehmen istThe invention relates to an arrangement as can be found in the preamble of claim 1
Eine derartige Jonenimplantationsanordnung ist aus der US-PS 35 07 709 bekanntSuch an ion implantation arrangement is off the US-PS 35 07 709 known
Ionenimplantationsverfahren werden bei HerstellungIon implantation processes are used at manufacture
integrierter Halbleiterschaltungen, insbesondere bipolarer Schaltungen in zunehmendem Maße eingesetzt. Dabei geht das Bestreben dahin, einmal höhere Implantationsdosierungen in stets kürzeren Zeiträumen einzubringen und zum anderen durch immer kleinereIntegrated semiconductor circuits, in particular bipolar circuits, are being used to an increasing extent. The aim is to achieve higher implantation doses in shorter and shorter periods of time to bring in and on the other hand through smaller and smaller ones
Öffnungen in der Größenordnung unterhalb von 25 μίτι Dotierungsstoffe einzubringen. Da die Dosierung bei der Ionenimplantation vom Ionenstrom und von der Zeitdauer abhängt, müssen bei der Wahl einer kurzen Zeitdauer die Ionenstrahlen entsprechend hohe Ionenströme führen. Praktisch liegt die Stromstärke dabei oberhalb von 03 mA. Es zeigt sich, daß bei leitfähigkeitsbestimmenden Dotierungen durch Implantation über 2,5 bis 25 μιη breite Öffnungen in isolierenden Schichten unter Anwenden derart hoher Sirahlströme die Gefahr besteht, daß die isolierenden Schichten sowie die dem Ionenstrahl ausgesetzten Halbleiteroberflächenbereiche beschädigt werden. Dies kann dann Anlaß zu Kurzschlüssen geben, so daß die hiervon betroffenen integrierten Halbieiterschaltungen unbrauchbar werden. Openings in the order of magnitude below 25 μίτι Introduce dopants. Since the dosage in ion implantation depends on the ion current and the Depending on the duration, the ion beams must have correspondingly high ion currents when a short duration is selected to lead. In practice, the current strength is above 03 mA. It turns out that with conductivity-determining Doping by implantation via 2.5 to 25 μm wide openings in insulating Layers using such high sirahl currents there is a risk that the insulating layers as well the semiconductor surface areas exposed to the ion beam to be damaged. This can then give rise to short circuits, so that those affected by it integrated semiconductor circuits become unusable.
Derartige Beschädigungen beruhen vermutlich auf elektrischem Durchschlag, bedingt durch hohes Potential, das sich auf der den Halbleiter bedeckenden, isolierenden Schicht unter Wirkung positiver Ionen aus dem pirmären Ionenstrahl aufbaut Eine derartige Oberflächenpotentialbildung stellt sich leich' bei Ionenstrahlen hoher Strahlstromsätrke und großer Dichte ein. Vermutlich treten positive Ionen in Ionenstrahlen hoher Strahlstormstärke in derartiger Dichte auf, daß die schwebende Elektronenwolke, die durch Ionenbombardement und durch Ionisation _ neutraler Restgase hervorgerufen wird, völlig unzureichend ist, die auf der Auffangscheibe durch die positiven Ionen bereitgestellt te Ladung auszugleichen.Such damage is probably due to electrical breakdown caused by high potential, that occurs on the insulating layer covering the semiconductor under the action of positive ions The primary ion beam builds up Such a surface potential formation occurs easily with ion beams high jet stream strength and high density. Presumably, positive ions occur higher in ion beams Beam current in such a density that the floating electron cloud caused by ion bombardment and caused by ionization of neutral residual gases, is completely inadequate Receiving disk to balance the charge provided by the positive ions.
Eine derartige Wirkung des positiven lonenstrahls zusammen mit der schwebenden Elektfonenwolke wird fm einzelnen in den US-PS 39 97 846, 40 11 449 und 40 13 891 abgehandelt und erläutert,Such an effect of the positive ion beam together with the floating electron cloud is fm individually in US-PS 39 97 846, 40 11 449 and 40 13 891 dealt with and explained,
Im übrigen scheint es so zu sein, daß bei sehr kleinen, höchstens 25 μπι breiten öffnungen in der Isolierschicht, durch welche Ionen implantiert v/erden sollen, Sekundärelektronenbildung, die normalerweise beim Auftreffen positiver Ionen auf die Halbleiteroberfläche einsetzt, unterdrückt wird; ein Umstand der weiterhin noch zur Ansammlung positiver Ionen auf der auf der Halbleiteroberfläche befindlichen Icolationsoberfläche beiträgt.In addition, it seems to be the case that with very small, at most 25 μm wide openings in the insulating layer, through which ions should be implanted, secondary electron formation, which normally starts when positive ions hit the semiconductor surface, is suppressed; a fact that continues to accumulate positive ions on the semiconductor surface located icolation surface contributes.
Die oben angeschnittenen Probleme treten dabei nicht nur bei Ionenimplantation über sehr kleine öffnungen in auf Halbleitersubstraten aufgebrachten Isolierschichten hindurch auf, sondern gleichermaßen auch bei mit Ionenstrahlen hoher Strahlstromstärke durchgeführter Implantation über oberhalb von Halbleitersubstraten liegende dünne, elektrisch isolierende Schichten. Zur Abhilfe wird gemäß der Ionenimplantationsanordnung der eingangs genannten Art der Aufbau von Ladungen auf der Oberfläche durch direkte Bestrahlung der Oberfläche des Isolationsmaterials mit Elektronen ausreichender Menge derart beeinflußt, daß ein negatives Oberflächenpotential herbeigeführt wird, das in der Lage ist, die positive, durch den ionenctrahl aufgebaute Ladung zu kompensieren. Unmittelbar auf die Auffangscheibenoberfläche zur Einwirkung gebrachte Elektronen führen aber zu erheblichen Nachtei- 2ί len. Hierzu ist nämlich zu berücksichtigen, daß Elektronenquellen üblicherweise als Glühkathode ausgebildet sind oder in Form eines Plasmas bereitgestellt sind. Derartige Elektronenquellen können aber durch Material, das unvermeidlich infolge des Ionenbombardements aus der Auffangscheibe herausgeschlagen wird, verunreinigt werden fernerhin kann die mit eine" derartigen Elektronenquelle einhergehende Wärme die Auffangscheibe in schädlicher Weise beeinflussen. Ist so beispielsweise eine Auffangscheibe mit einer elektrisch isolierenden Schicht, wie z. B. Photolack, bedeckt, dann ist eine den Herstellungsgang beeinträchtigende Wärmeschädigung nicht zu verhindern.The problems mentioned above occur not only with ion implantation through very small openings in insulating layers applied to semiconductor substrates, but also with implantation carried out with ion beams with high beam current strength via thin, electrically insulating layers lying above semiconductor substrates. To remedy this, according to the ion implantation arrangement of the type mentioned at the beginning, the build-up of charges on the surface is influenced by direct irradiation of the surface of the insulation material with electrons in sufficient quantities in such a way that a negative surface potential is brought about, which is able to reduce the positive one caused by the ions c trahl to compensate for the built-up charge. Electrons which are brought to act directly on the surface of the collecting disk, however, lead to considerable disadvantages. For this purpose, it must be taken into account that electron sources are usually designed as hot cathodes or are provided in the form of a plasma. Such electron sources can, however, be contaminated by material that is inevitably knocked out of the collecting disk as a result of the ion bombardment B. photoresist, then a thermal damage impairing the manufacturing process cannot be prevented.
Schließlich ist es bei Anwendung der Ionenimplantation unerläßlich, für entsprechende Dosierung die Stromstärke des Strahlstroms zu erfassen und zu regeln, so daß es speziell bei hohen Strahlstromstärken erforderlich ist, das sich an der Autfangscheibe aufbauende, positive Oberflächenpotential zu kontrollieren und auf einen minimalen Wert herabzudrücken, wobei dies mit Dosimetnerung uid Strahlstrommessung verträglich sein muß. Aus der Literaturstelle »IBM Technical Disclosure Bulletin«. Bd. 16, 1973, Nr. 6. S. 1759 ist es bekannt, Halbleiterkörperoberflächen mit neutralisierten Ionen drekt zu beschießen.Finally, when using ion implantation, it is essential to ensure the appropriate dosage To detect the current strength of the jet stream and to regulate it, so that it is especially at high jet stream strengths it is necessary to control the positive surface potential that builds up on the catch pane and to push it down to a minimum value, this with dosimetry and jet current measurement must be compatible. From the reference "IBM Technical Disclosure Bulletin". Vol. 16, 1973, No. 6. S. 1759 it is known to directly bombard semiconductor body surfaces with neutralized ions.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, in einer Ion^nimplantationsinordnung Maßnahmen dafür bereitzustellen, um den Aufbau positiven Oberflächenpotentials an der Auffangscheibe unter gleichzeitiger Erfassung des Auifangscheibenstroms auf ein Minimum herabzudrücken, wobei auf der Auffangscheibe ein Körper mit einer derr. Ionenstrahl zugekehrten, isolierenden Schient angebracht ist. indem zusätzlich durch die hierzu getroffenen Maßnahmen eine Vergiftung der Auffangscheibe mit dem hierauf angebrachten Körper wirksam verhindert wird oder die isolierende Schicht Und gegebenenfalls hiervon freigelassene, darunterliegende Körperobcrflächenbereiche beschäm digt werden, so daß ganz allgemein durch die Maßnahmen zur Herabsetzung des positiven Oberflächenpotentials keinerlei schädigende Einwirkung beim Implantationsvorgang,'.μ verzeichnen ist.The object of the invention is therefore in an ion implantation order to provide measures to build up positive surface potential at the catchment disc while at the same time recording the catchment disc flow to a minimum to press down, with a body with one of the derr on the collecting disc. Ion beam facing, insulating rail is attached. by additionally causing poisoning by the measures taken for this purpose the collecting disc with the body attached to it is effectively prevented or the insulating Layer and any underlying body surface areas left free from it, ashamed be digt, so that quite generally by the measures to reduce the positive surface potential no harmful effects whatsoever during the implantation process, '. μ is recorded.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, wie es dem Kennzeichen d^s Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist.This object is achieved according to the invention, as can be seen from the characterizing part of claim 1 is.
Die vcn einer Elektronenquelle ausgehenden Strahlen umfassen nicht nur die Elektronen als solche, sondern auch andere Partikel und zudem Photonen. Erfindungsgemäß ist nun Vorsorge dafür getroffen, daß derartige, von der Elektronenquelle ausgehende Strahlen nicht unmittelbar auf die Auffangscheibe mit dem darauf angebrachten Körper auftreffen können, weil die Elektronenquelle hinter einer entsprechend ausgestatteten Abschirmung in Form einer Aushöhlung der Wandung des Faraday-Käfigs angeordnet ist. Derartige Abschirmungsmaßnahmen verhindern wirkungsvoll, daß insbesondere von der Elektronenquelle verdampftes Material die Auffangscheibe mit dem hierauf befestigten Körper vergiften kann. Dies gilt speziell dann, wenn die Elektronenquelle wie allgemein üblich, aus einem aus Wolfram, Tantal oder thoriertem Iridium bestehenden Heizfaden dargestellt wird. Zusätzlich verhindern die Abschirmmaßnahmen, daß durch Absprühen von der AuffangscheiL· und dem darauf befestigten Körper hervorgerufene positive Ionen, als Folge des dort auftreffenden Ionenstrahl andererseits auch zu emer direkten Schädigung oder Vergif'ung der Elektronenquelle führen können. Schließlich ergibt sich, daß IvM beheizter Elektronenquelle die Abschirmmaßnahmen wirksam verhindern, daß zudem die Auffangscheibe aufgeheizt wird, was dann besonders nachteilig ist, wenn auf der Auffangscheibe ein z. B. mit Photolack versehener Körper angebracht ist.The rays emanating from an electron source include not only electrons as such, but also other particles and photons. According to the invention, provision is now made to ensure that such rays emanating from the electron source cannot hit the collecting disc with the body attached to it directly because the Electron source behind a suitably equipped shield in the form of a cavity in the Wall of the Faraday cage is arranged. Such Shielding measures prevent effectively that in particular from the electron source evaporated Material can poison the collecting disc with the body attached to it. This is especially true Then, if the electron source, as is generally the case, is made of one made of tungsten, tantalum or thoriated iridium existing filament is shown. In addition, the shielding measures prevent spraying positive ions produced by the collecting disc and the body attached to it, as Consequence of the ion beam impinging there on the other hand also to direct damage or poisoning of the Electron source can lead. Finally, it emerges that IvM heated electron source takes the shielding measures effectively prevent the collecting disk from being heated up, which is then particularly disadvantageous is when a z. B. with photoresist provided body is attached.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist weiterhin dafür Vorsorge getroffen, daß die Abschirmungen auf einer geringeren Temperatur als die der Auffangscheibe gehalten werden. Dies ist ebenfalls besonders dann vorteilhaft, wenn die Elektronenquelle aus einer Glühkathode besteht.According to a further development of the invention, provision is also made for the shields be kept at a lower temperature than that of the collecting disc. This is also especially advantageous when the electron source consists of a hot cathode.
Da der Auffangscheibenstrom auch einen wesentlichen Anteil des Strahlstromwertes der betreffenden Ionenstrahlen umfaßt, muß der Faraday-Käfig so eingerichtet sein, daß seine Wandungen von der Auffangscheibe elektrisch isoliert angeordnet sind, d. h. der Gesamtwandungsstrom wird unabhängig vom Auffangscheibenstrom erfaßt und gemessen; erst die Kombination von Auffangscheibenstrom und Wandungsstrom führen dann zum resultierenden Meßwert für den lonenstrahlstrom.Since the catching disk current also makes up a substantial proportion of the beam current value of the relevant Includes ion beams, the Faraday cage must be set up so that its walls from the Collecting discs are arranged in an electrically insulated manner, d. H. the total wall current is independent of the Receiving disk current recorded and measured; only the combination of the receiving disk flow and the wall flow then lead to the resulting measured value for the ion beam current.
Bei Anwendung der Anordnung gemäß der Erfindung kann die Auffangscheibe Körper mit elektrisch nichtleitenden Schichten an ihrer Oberfläche aufweisen, wie z. B. Halbleiterkörper, die mit Isolationsschichten überzogen sind, 1111 mittels Ionenimplantation behandelt zu werden. Hierbei wird angestrebt, den Aufbau positiven Oberflächenpotentials auf der Isolationsober fläc.ie auf einem Minimalwert zu halten, selbst wenn hohe Strahlstromwerte von mindestens 0.5 mA Anwendung finden. Soiange der Auffangscheibonstrom auf dem Wert Null oder einem negativen Wert, vorzugswe. se jedoch nur äußerst geringfügig negativ, gehalten wird, läßt sich dip Ausbildung positiven Oberflächenpotentials auf der Isolierschichtoberfläche eines auf der Auffangseheibe angebrachten Körpers verhindern.When using the arrangement according to the invention, the collecting disc body with electrically non-conductive Have layers on their surface, such as. B. semiconductor body with insulation layers are coated, treated 1111 by ion implantation to become. The aim here is to build up positive surface potential on the insulation surface fläc.ie to a minimum, even if high beam current values of at least 0.5 mA application Find. As long as the catching disc stream is open the value zero or a negative value, preferably. However, it is only marginally negative can be dip training positive surface potential on the insulating layer surface of a body attached to the collecting disk.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungsbeispiele der Erfindung lassen sich den Unteransprüchen entnehmen.Further advantageous configurations and exemplary embodiments the invention can be found in the subclaims.
Mit Hilfe der srfindungsgemäßen Ionenimplantationsanordnung ist es somit bei der Herstellung von monolithisch integrierten Halbleiterschaltungen möglich, die tonenstrahlen über äußerst kleine öffnungen inWith the aid of the ion implantation arrangement according to the invention it is thus possible in the production of monolithically integrated semiconductor circuits, the sound beams through extremely small openings in
auf Halbleitersubstraten befindlichen Isolationsschichten, wie sie bei hochinlegrierten Schaltkreisen auftreten bzw. angestrebt werden, im Halbleiter einwirken zu lassen, ohne daß Kurzschlüsse in der Isolationsschicht zu befürchten sind oder Schädigungen der in den genannten Isolationsschichtöffnungen freiliegenden Halbleiterbereiche zu verzeichnen sind. So wurden bisher zur Verhinderung von Kurzschlüssen in Isolationsschichten oberhalb integrierter Halbleiterschaltungen Implantationszonen in nicht zu großer Dichte in einem Halbleiterkörper vorgesehen.Insulation layers on semiconductor substrates, as they occur in highly integrated circuits or striving to act in the semiconductor without short circuits in the insulation layer or damage to the exposed openings in the insulation layer mentioned are to be feared Semiconductor areas are recorded. So far have been used to prevent short circuits in insulation layers above integrated semiconductor circuits implantation zones in not too great a density in a semiconductor body provided.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Die Zeichnungen zeigenThe following are exemplary embodiments of the invention explained in detail with reference to the drawings. The drawings show
Fig. 1 eine Darstellung einer Ionenimplantationsanordnung, 1 shows an illustration of an ion implantation arrangement,
Fig. IA einen vergrößerten Teilausschnitt der in Fig. I gezeigten Ionenimplantationsanordnung,FIG. 1A shows an enlarged partial section of the ion implantation arrangement shown in FIG.
F i g. 2 einen Teilausschnitt eines alternativen Ausführungsbeispieis der ionenimpiantaiionsanordnung,F i g. 2 shows a partial section of an alternative exemplary embodiment the ion implantation arrangement,
Fig. 3A einen Ausschnitt zur Darstellung der Kühlmaßnahmen für die Abschirmung zwischen Elektronenquelle und Auffangscheibe,3A shows a section to illustrate the cooling measures for the shielding between the electron source and catching disc,
F i g. 3B einen Querschnitt längs der Linien 3ß-3ß in der Darstellung nach F i g. 3A.F i g. 3B is a cross section taken along lines 3 [beta] -3 [beta] in FIG the representation according to FIG. 3A.
Die Anordnung nach F i g. 1 zeigt schematisch sowohl die auch bisher bei Ionenimplantation angewendeten Maßnahmen als auch innerhalb der gestrichelten Linien 10 die erfindungsgemäß vorgesehenen Mittel zur Steuerung des Oberflächenpotentials des durch Ionenimplantation zu behandelnden Körpers auf der Auffangscheibe. Einzelheiten einer üblichen Ionenimplantationsanordnung finden sich z. B. in den US-PS 37 56 862 bzw. 40 11 449. In F i g. 1 ist eine Ionenquelle 12 dargestellt, die im vorliegenden Fall einen Heizfaden als Glühkathode zur Erzeugung von Ionen mittels Elektronenstroß zur oszillierenden Elektronenentladungsbetriebsweise enthält Ein Ionenstrahl wird in üblicher Weise mittels einer Extraktionselektrode 16 über Blende 15 der Ionenquelle 12 gebildet. Die auch als Beschleunigungselektrode bezeichnete Extraktionselektrode 16 wird mittels der Verzögerungsspannungsquelle auf negativem Potential gehalten. Die Ionenquelien-Elektrode 17 wird gegenüber dem Heizfaden der Ionenquelle 12 mittels der Anodenspannungsquelle auf positivem Potential gehalten. Eine Verzögerungselektrode 18 liegt in Strahlrichtung hinter der Extraktionselektrode 16 und wird auf Massepotential gehalten. Die einzelnen Vorspannungen lassen sich entsprechend den gewünschten Betriebsbedingungen einstellen.The arrangement according to FIG. 1 shows schematically both those previously used in ion implantation Measures as well as the means provided according to the invention within the dashed lines 10 for Control of the surface potential of the body to be treated by ion implantation on the collecting disc. Details of a conventional ion implantation arrangement can be found e.g. B. in U.S. Patent 3,756,862 and 40 11 449, respectively. In FIG. 1 shows an ion source 12, which in the present case has a filament as Hot cathode for the generation of ions by means of an electron surge for the oscillating electron discharge mode An ion beam is transferred in the usual way by means of an extraction electrode 16 Aperture 15 of the ion source 12 is formed. The extraction electrode, also known as the acceleration electrode 16 is held at negative potential by means of the delay voltage source. The ion source electrode 17 is opposite to the filament of the ion source 12 by means of the anode voltage source held at positive potential. A deceleration electrode 18 lies behind the extraction electrode in the direction of the beam 16 and is held at ground potential. The individual biases can be adjusted according to the Set the desired operating conditions.
Der die Ionenquelle 12 verlassende Ionenstrahl folgt einem Pfad 19 bis zu einer Analysatormagnetpolschuh-Anordnung 20 üblicher Bauart Lochblenden 21 und 22 zu beiden Seiten der Analysatnrmagnetpolschuh-Anordnung 20 definieren außerdem in üblicher Weise den hierdurch weitergeleiteten Ionenstrahl. Fernerhin ist noch eine Strahlformungsblende 24, ebenfalls an sich bekannter Bauart, vorgesehen. Schließlich durchläuft der Ionenstrahl eine Blende 26, gebildet durch die Platten 25, um dann auf die Auffangscheibe 23 aufzutreffen. Alle diese beschriebenen Maßnahmen sind an sich bekannt und werden wie üblich angewendetThe ion beam leaving the ion source 12 follows a path 19 to an analyzer magnetic pole piece arrangement 20 conventional design perforated diaphragms 21 and 22 on both sides of the analyzer magnet pole piece arrangement 20 also define the ion beam passed on through this in the usual way. Furthermore is a beam-shaping diaphragm 24, also of a type known per se, is also provided. Eventually runs through the ion beam an aperture 26, formed by the plates 25, in order then to the collecting disk 23 to hit. All of these measures are described known per se and are used as usual
Nun wird unter Bezugnahme auf das Prinzip der Erfindung auf den Aufbau innerhalb der gestrichelten Linien 10, wie in vergrößerter Darstellung der Fi g. 1A zu entnehmen ist, eingegangen. Der hier gezeigte Aufbau stellt einen modifizierten Faraday-Käfig dar, wie er z. B. in der US-PS 40 11 449 beschrieben ist; um den lonenstrahlstrom meßtechnisch zu erfassen. Hierbei kombiniert sich die Auffangscheibe 23 mit den benachbarten Wandungen 27 und der Abdeckplatte 28 zur Bildung einer Faraday-Käfig-Struktur, die den -, Ionenstrahl 29 an seinem Auftreff-Ende umfaßt. Die Auffangscheibe 23 selbst besteht aus einem Halbleitersubstrat-Haller 30, der eine größere Anzahl von Halbleiterkörper 31 aufzunehmen vermag. Der Halbleitersubstrat-Halter 30 läßt sich drehen und hin und herReferring now to the principle of the invention, the structure within the dashed lines Lines 10, as in the enlarged illustration of Fi g. 1A has been received. The structure shown here represents a modified Faraday cage, how he z. As described in US Pat. No. 4,011,449; around to detect the ion beam current by measurement. Here, the collecting disk 23 combines with the adjacent walls 27 and the cover plate 28 to form a Faraday cage structure that the -, includes ion beam 29 at its impact end. The collecting disk 23 itself consists of a semiconductor substrate Haller 30, which is able to accommodate a larger number of semiconductor bodies 31. The semiconductor substrate holder 30 can be turned and back and forth
ίο schwenken, wie es durch die Pfeile angedeutet und in der US-PS 40 11 449 näher beschrieben ist, so daß eine gleichförmige Überstreichung des Ionenstrahl 29 über die Oberflächen aller Halbleiterkörper 31 auf dem Halbleilersubstrat-Halter 30 gewährleistet ist.ίο pan as indicated by the arrows and in the US-PS 40 11 449 is described in more detail, so that a uniform scanning of the ion beam 29 over the surfaces of all semiconductor bodies 31 on the semiconductor substrate holder 30 is guaranteed.
Selbstverständlich ließe sich der beschriebene Faraday-Käfig auch mit einer fest angebrachten Auffangscheibe 23 verwenden. Außerdem befindet sich natürlich der Faraday-Käfig in einem Hochvakuumgefäß, wie es zur Durchführung der Ionenimplantation erforderlichOf course, the Faraday cage described could also be used with a permanently attached collecting disc 23 use. Also, of course, the Faraday cage is in a high vacuum vessel like this required to perform the ion implantation
Die V/andungen 27 des Faraday-Käfigs müssen von der Auffangscheibe 23 elektrisch isoliert angeordnet sein. Um dies anzudeuten, sind sie in der Abbildung voneinander getrennt dargestellt. Wie der Abbildung außerdem zu entnehmen ist, liegen die Wandungen 27 gegenüber der Auffangscheibe 23 auf negativem Potential, wie es von der Quelle Vw bereitgestellt wird. Die Auffangscheibe 23 liegt über Leitung 32 an Masse. Die Ltktronenquellen 33 und 33' können herkömmlieher Bauart sein, um eine gemäß den Erfordernissen einstellbare Anzahl von Elektronen, wie durch 34 angedeutet (F i g. 1 A), in den Ionenstrahl 29 einführen zu können. Je nach Einstellung lassen sich dann positive Ladungen, die sich sonst auf der Oberfläche des betreffenden Halbleiterkörpers 31 ausbilden können, neutralisieren.The connections 27 of the Faraday cage must be arranged so as to be electrically insulated from the collecting disk 23. To indicate this, they are shown separately in the figure. As can also be seen from the figure, the walls 27 are at negative potential with respect to the collecting disk 23, as is provided by the source V w . The collecting disk 23 is connected to ground via line 32. The electron sources 33 and 33 'can be of conventional design in order to be able to introduce a number of electrons into the ion beam 29, which number can be adjusted according to requirements, as indicated by 34 (FIG. 1 A). Depending on the setting, positive charges which could otherwise form on the surface of the relevant semiconductor body 31 can then be neutralized.
Die Elektronenquellen 33 und 33' können in Form von Heizfäden, Plasmastrecken. Elektronenkanonen mit öder ohne magnetische Feldeinwirkung oder durch Feldemissionselektroden dargestellt sein. Bei Verwendung einer Glühkathode 35 läßt sich der hierdurch fließende Strom wahlweise einstellen, um die Anzahl der Elektronen 34. die in den Ionenstrahl 29 eingegeben werden sollen, entsprechend den jeweiligen Erfordernissen regulieren zu können. Die Heizfadenanordnung der Glühkathode ist eine negative Vorspannung V/mit Bezug auf die Faraday-Käfig-Wandungen 27 gelegt Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung sind die Elektronenquellen 33 und 33' derart in Wandungshöhlungen der Faraday-Käfig-Wandungen 27 eingebettet, daß sich keine geradlinige Verbindung zwischen Elektronenquelle und Auffangscheibe ti'geben kann. Dies gilt für den gesamten Oberflächenbereich einer Auffangscheibe. Damit schirmen die Wandungsbereiche 36 der Faraday-Käfig-Wandung 27 die Elektronenquellen 33 und 33' gegenüber der Auffangscheibe völlig ab bzw. decken sie wirksam gegenüber den Elektronenquellen ab.The electron sources 33 and 33 'can be in the form of heating filaments, plasma lines. Electron guns with or be represented without the action of a magnetic field or by field emission electrodes. Using a hot cathode 35, the current flowing through it can optionally be adjusted to the number of Electrons 34. which are to be input into the ion beam 29, according to the respective requirements to be able to regulate. The filament arrangement of the hot cathode is a negative bias voltage V / mit Reference is made to the Faraday cage walls 27 according to an essential feature of the invention the electron sources 33 and 33 'are in this way in wall cavities of the Faraday cage walls 27 embedded so that there is no straight connection between the electron source and the collecting disk can. This applies to the entire surface area of a collecting disc. This shields the wall areas 36 of the Faraday cage wall 27, the electron sources 33 and 33 'opposite the collecting disk completely or effectively cover them with respect to the electron sources.
Die Abdeckplatte 28 ist von den Faraday-Käfig-Wan-The cover plate 28 is from the Faraday cage wall
düngen 27 dank der Isolationslage 37 völlig isoliert Eine Spannungsquelle Vp versorgt die Abdeckplatte 28 mit gegenüber den Faraday-Käfig-Wandungen 27 und der Glühkathode 35 negativer Spannung. Die verschiedenen Vorspannungen sorgen dafür, daß sich die in den Ionenstrahl 29 eingebrachten Elektronen 34 zusammen mit der den Ionenstrahl 29 begleitenden Sekundärelektronenwolke, die zwischen Abdeckplatte 28, den Faraday-Käfig-Wandungen 27 und der Auffangscheibefertilize 27 completely insulated thanks to the insulation layer 37. A voltage source V p supplies the cover plate 28 with a voltage that is negative in relation to the Faraday cage walls 27 and the hot cathode 35. The various bias voltages ensure that the electrons 34 introduced into the ion beam 29, together with the secondary electron cloud accompanying the ion beam 29, are located between the cover plate 28, the Faraday cage walls 27 and the collecting disk
23 eingeschlossen ist in Richtung auf die Auffangscheibe 23 zu bewegen.23 is included to move in the direction of the collecting disk 23.
Bei einer Strahlbeschleunigung Von 50 keV unter Verwendung von Arsenionen mit einer Strahlstromstärke von gfößenordnungsmäßig 0,5 mA oder mehr und bei Massepotential an der Auffangscheibe 23, sollen die Faraday-Käfig-Wandungen 27 etwa -50 V, die Glühkathode 35 eine Vorspannung von —60 bis —100 V und ■'fte Abdeckplatte 28 etwa —200 V aufweisen. Die Strahlstromstärke ergibt sich aus der Kombination aller Ströme, nämlich des Auffangscheibenstroms, des Faraday- Käfig-Wandungsstroms und des Abdeckplattenstroms, die sich insgesamt durch das Amperemeter 38 erfassen lassen. Zusätzlich jedoch läßt sich auch der Auffangscheibenstrom mit Hilfe eines zweiten Amperemeters 39 messen, um aus dem jeweiligen Meßwert für den Auffangscheibenslrom die jeweilige Einstellung der in den Ionenstrahl 29 über die Glühkathode 35 einzugebenden Elektronen 34 einzustellen. Wie bereits oben erwähnt, gut es zur Verhinderung des Äufbaus eines positiven Potentials an einer auf der Oberfläche eines Halbleiterkörpers 31 angebrachten Isolierschicht, den Auffangscheibenstrom entweder auf Null zu reduzieren, oder darüber hinaus geringfügig negativ einzustellen.With a beam acceleration of 50 keV using arsenic ions with a beam current of the order of magnitude of 0.5 mA or more and with a ground potential at the collecting disk 23, the Faraday cage walls 27 should be about -50 V, the hot cathode 35 a bias voltage of -60 to -100 V and ■ 'fte cover plate 28 having approximately -200 V. The beam current strength results from the combination of all currents, namely the receiving disk current, the Faraday cage wall current and the cover plate current, which can be detected by the ammeter 38 as a whole. In addition, however, the collecting disk current can also be measured with the aid of a second ammeter 39 in order to set the respective setting of the electrons 34 to be input into the ion beam 29 via the hot cathode 35 from the respective measured value for the collecting disk current. As already mentioned above, in order to prevent the build-up of a positive potential on an insulating layer applied to the surface of a semiconductor body 31, it is good to either reduce the collecting wafer current to zero or to set it to be slightly negative.
Wie sich aus der in Fig. IA gezeigten Anordnung ergibt, verhindert eine negative Spannung der Abdeckplatte 28, daß Elektronen den Faraday-Käfig über seine Einstrahlöffnung verlassen können. Hierzu liegt die Abdeckplatte 28 auf der tiefsten negativen Spannung des gesamten Faraday-Käfigs. Bei einem modifizierten Ausführungsbeispiel (Fig. 2) läßt sich die Abdeckplatte 28 durch ein entsprechend ausgebildetes und von außen angelegtes Magnetfeld 40. dessen Feldrichtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ionenstrahls gerichtet ist, durch Anwenden des Magnetpaars 41 und 42 ersetzen. Das hierdurch bereitgestellte Magnetfeld stellt, wie an sich bekannt, eine wirksame Elektronenbarrierre dar.As can be seen from the arrangement shown in FIG results, prevents a negative voltage of the cover plate 28 that electrons the Faraday cage over its Can leave irradiation opening. For this purpose, the cover plate 28 is at the lowest negative voltage of the entire Faraday cage. In a modified embodiment (Fig. 2), the cover plate 28 by a correspondingly designed and externally applied magnetic field 40. its field direction perpendicular is directed to the direction of movement of the ion beam by applying the pair of magnets 41 and 42 substitute. As is known per se, the magnetic field provided thereby constitutes an effective electron barrier represent.
Bei Ionenimplantation unter Verwendung bestimmter Dotierungsstoffe wie Arsen, die bereits bei normalen Betriebstemperaturen verdampfen, können wegen des Einfalls verdampfter Partikel auf die Auffangscheibe gewisse Schwierigkeiten entstehen. Bei üblicher Betriebsweise nämlich würden sich die verdampftenPartikel. also im vorliegenden Beispiel Arsen, auf die Wandungen des Faraday-Käfigs in der Nähe der Auffangscheibe absetzen. Bei der vorliegenden Anordnung jedoch, bei der die Elektronenquellen in den Faraday-Käfig-Wandungen Temperaturen zwischen 1500 und 2700°C erreichen, können die Faraday-Käfig-Wandungen 27 und insbesondere deren abschirmende Wandungsbereiche 36 auf ziemliche hohe Werte aufgeheizt werden. Da unter diesen Voraussetzungen die Wandungstemperatur jedenfalls höher zu liegen kommt als die der Auffangscheibe, dürfte sich im vorliegenden Beispiel der Arsendampf bevorzugt auf den die Auffangscheibenoberfläche bildenden Halbleiterkörper niederschlagen. Ein derartiger Niederschlag würde aber das Halbleiterherstellungsverfahren und insbesondere die Arsendotierung stören, die sich ja allein aus den Meßwerten der Ionenimplantation bestimmen soll. Dies folgt daraus, daß das verdampfte Arsen nicht ionisiert ist und infolgedessen auch nicht bei der dosimetrischen Erfassung während des Implantationsverfahrens zu ermitteln ist. Da sich das Arsen auf die Halbleiteroberfläche als Auffangfläche niederschlägt, kann es beim nachfolgenden Wärmediffusionsverfahrensschritl auch in den Halbleiter eindringen, so daß das Arsendotierungshivcau im Halbleiter hierdurch höher ausfallen wird, als es erwünscht bzw, vorgegebenIn the case of ion implantation using certain dopants such as arsenic, which are already present in normal Operating temperatures may evaporate due to the incidence of evaporated particles on the collecting disc certain difficulties arise. In fact, in normal operation, the vaporized particles would become. So in the present example arsenic, on the walls of the Faraday cage near the Put down the collecting disc. In the present arrangement, however, in which the electron sources in the Faraday cage walls can reach temperatures between 1500 and 2700 ° C, the Faraday cage walls 27 and in particular their shielding wall areas 36 to relatively high values be heated up. Since, under these conditions, the wall temperature must in any case be higher comes as that of the collecting disk, arsenic vapor should be preferred in the present example knock down the semiconductor body forming the collecting wafer surface. Such a precipitate but would interfere with the semiconductor manufacturing process and in particular the arsenic doping, which is true should be determined solely from the measured values of the ion implantation. This is because it evaporated Arsenic is not ionized and, as a result, also not in the dosimetric detection during the implantation procedure is to be determined. Since the arsenic is deposited on the semiconductor surface as a collecting surface, it can also penetrate the semiconductor during the subsequent heat diffusion process, see above that the arsenic doping in the semiconductor thereby will be higher than desired or specified
ίο Ist.ίο is.
Außerdem kann Arsen, das bei früheren Verfahrensgängen auf den Faraday-Käfig-Wandungen niedergeschlagen ist, hierbei erneut verdampfen und damit zusätzlich zur Dotierungsverfälschung der gerade vorliegenden, zu behandelnden Halbleiterkörper beitragen. Um diese Schwierigkeiten zu beheben, wird nun gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dafür Sorge gelragen, daß sowohl Abschirmung als auch Faraday Käfig-Wandungen entsprechend unterhalb der Auf-In addition, arsenic deposited on the Faraday cage walls in previous operations is, here evaporate again and thus in addition to the doping falsification of the straight present, to be treated semiconductor body contribute. To remedy these difficulties, now According to a further development of the invention, ensure that both shielding and Faraday Cage walls below the top
iangscheibentemperatur abgekühlt werden. Eine entsprechende Anordnung mit hierfür vorgesehenen Maßnahmen, ist im Querschnitt in Fig.3B dargestellt. F i g. 3A zeigt eine Teilquerschnittsansicht und zwar von der Auffangscheibenseite her entlang der Achse des Ionenstrahl gesehen. Die in Fig.3B gezeigten Halbleiterkörper 131 sollen mit Hilfe des hierauf gerichteten Ionenstrahls 129 bearbeitet werden. Hierzu sind die Körper 131 auf dem Substrathalter 130 der Auffangscheibenvorrichtung 123 angebracht. Die Faraday-Käfig-Wandungen 127 sind gegenüber dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel derart modifiziert, daß Kühlkanäle 150 vorgesehen sind, die mit der Kühlflüssigkeitszuführungsleitung 151 in Verbindung stehen, über welche ein Kühlmittel in das System eintritt, um es dann wieder über die Auslaßleitung 152 zu verlassen. Zur Kühlung kann auch Preßluft oder ein Fluor-Kohlenstoff verwendet werden, wobei die Wandungen 127. insbesondere die abschirmenden Wandungsbereiche 136 der Faraday-Käfig-Wandung durch-can be cooled down to the temperature of the window pane. A corresponding Arrangement with measures provided for this is shown in cross section in Fig. 3B. F i g. 3A shows a partial cross-sectional view from the catchment disc side along the axis of FIG Ion beam seen. The ones shown in Fig.3B Semiconductor bodies 131 are to be processed with the aid of the ion beam 129 directed thereon. For this the bodies 131 are mounted on the substrate holder 130 of the collecting disk device 123. The Faraday cage walls 127 are modified compared to the embodiment described above in such a way that that cooling channels 150 are provided which are connected to the cooling liquid supply line 151 stand, via which a coolant enters the system, in order to then return it via the outlet line 152 leaving. Compressed air or a fluorocarbon can also be used for cooling, the walls 127. in particular the shielding wall areas 136 of the Faraday cage wall
4ö strömt werden, damit die Temperatur derselben unterhalb der Auffangscheibentemperatur gehalten wird. Dadurch wird die Wirkung der Glühkathode 135 der Elektronenquelle 133 erfolgreich kompensiert. Das jeweils verwendete Kühlmittel muß elektrisch isolierend sein, damit die Meßwerte wie Strahlstromstärke und Auffangfiächen-Oberflächenpotential, hierdurch nicht beeinflußt werden. Ebenso müssen die äußeren Teile des Kühlsystems auch elektrisch isoliert sein. Die Anschlußteile 153 in F i g. 3A sind deshalb ebenfalls aus Isoliermaterial hergestellt. In Fig. 3A ist ein Teil in Querschnittsansicht gezeigt, um die Anordnung der Heizfaden der Glühkathode 135 zur Emission der Elektronen 134 in ihrer Lage bezüglich des Eintrittsfensters des Ionenstrahls 129 erkennen zu können.4ö are flowing, so that the temperature of the same is kept below the catch disc temperature. This increases the effect of the hot cathode 135 of the electron source 133 successfully compensated. The coolant used in each case must be electrically insulating so that the measured values such as jet current strength and collecting surface surface potential, thereby are not influenced. The outer parts of the cooling system must also be electrically insulated. the Connection parts 153 in FIG. 3A are therefore also made of insulating material. In Fig. 3A, a part in Cross-sectional view shown to the arrangement of the filament of the hot cathode 135 for emission of the To be able to recognize electrons 134 in their position with respect to the entry window of the ion beam 129.
Dank der Anwendung der Kühleinrichtung läßt sich die Temperatur der Faraday-Käfig-Wandungen 136 im Betrieb bei einer Heizfaden tempera tür zwischen 1500 und 27000C unterhalb von 1000C halten, wobei die Auffangscheibe hauptsächlich unter der Wirkung des Ionenstrahls eine höhere Temperatur von etwa 150°C erreichtThanks to the use of the cooling device, the temperature of the Faraday cage walls 136 can be kept during operation at a heating filament tempera door between 1500 and 2700 0 C below 100 0 C, with the collecting disc mainly under the action of the ion beam a higher temperature of about 150 ° C reached
Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings
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