DE3021221A1

DE3021221A1 - Mikrowellenplasma-ionenquelle

Info

Publication number: DE3021221A1
Application number: DE3021221A
Authority: DE
Inventors: Ichiro Kanomata; Hidemi Koike; Noriyuki Sakudo; Katsumi Tokiguchi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-06-04
Filing date: 1980-06-04
Publication date: 1980-12-11
Also published as: GB2053559A; FR2461351A1; JPS55161341A; FR2461351B1; NL8003233A; GB2053559B; JPS5852297B2; DE3021221C2; US4316090A

Description

TAN^-'.ALTE

SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜ BEL-HOPF EBBINGHAUS FlNCK

MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÜNCHEN 90 POSTADRESSEcPOSTFACH 95 O1 6O, D-8O0O MÖNCHEN 95

HITACHI, LTD. 4. Juni 19 80

DEA-25 192

Mikrowellenplasma-Ionenquelle

Patentansprüche

Λ I Mikrowellenplasma-Ionenquelie, mit einer Entladungskammer, mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Mikrowellen-Entladungsplasmas innerhalb der Entladungskammer und mit einem Ionenabzugs-Elektrodensystem zum Abziehen von Ionen aus. dem Mikrowellen-Entladungsplasma, dadurch gekennzeichnet, daß das Ionenabzugs-Elektrodensystem (10) eine Elektrode (19) aufweist, die mit der Entladungskammer (6) in Kontakt steht, daß die Elektrode (19) in ein Teil (19A), das im wesentlichen gegenüber dem Plasma freiliegt,und ein anderes Teil (19B) unterteilt ist, das im wesentlichen nicht gegenüber dem Plasma freiliegt, und daß beide Teile (19A, 19B) in elektrischem Kontakt miteinander stehen.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden die Elektrode (19) bildenden

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ORIGINAL INSPECTED

ladung durch Thermionen aus einem Heizfaden parallel zu einem Ionenabsaugschlitz erzeugt wird, und die Ionen werden in Form eines schlitzförmigen Strahles aus dem durch die Entladung erzeugten Plasma abgezogen. Im anderen Falle handelt es sich um ein Gerät bei dem eine Mikrowellenplasma-Ionenquelle verwendet wird, die nachstehend im einzelnen erläutert ist. Das erste Gerät ist beispielsweise im "The PR-3O Ion and Implantation System" auf dem 14. Symposium on Electron - Ion and Photo Beam Technology im Mai 1977 vorgestellt worden, während das zweite Gerät in der US-PS 4 048 748 beschrieben ist. Die Ionenquellen dieser beiden Bauformen sollen nachstehend miteinander verglichen werden.

Die Lebensdauer des ersten Gerätes ist durch die Lebensdauer des verwendeten Heizfadens bestimmt und beträgt üblicherweise einige Stunden bis zu 10 oder 15 Stunden. Im Gegensatz dazu hat das zweite Gerät eine sehr lange Lebensdauer, da es keine sich verbrauchenden Teile aufweist, wie z.B. die Kathode beim ersten Gerät. Wenn jedoch PH₃-GaS für P -Ionen, AsH^-Gas für As -Ionen oder dergleichen als zu ionisierendes Gas verwendet wird, lagert sich das dissociierte P oder As allmählich auf den Oberflächenteilen der Elektroden ab, da die Elektroden mit der Entladungskammer in Kontakt stehen. Die Ablagerungen verschließen den Ausgang für den Ionenstrahl, was die Ursache für eine anormale Entladung innerhalb der Entladungskammer ist. Infolgedessen wird der Ionenstrahl nach etwa 10 bis 20 Betriebsstunden in nachteiliger Weise unstabil.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine für Implantationsgeräte geeignete Mikrowellenplasma-Ionenquelle anzugeben, mit der es möglich ist, einen stabilen Ionenstrom großer Stromstärke für eine lange Zeit zu erhalten.

Zur Erreichung dieses Zieles wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung folgende Konstruktion verwendet: Die mit der Entladungskammer in Kontakt stehende Elektrode ist in zwei Teile geteilt, nämlich ein Oberflächenteil, das für das Plasma im wesentlichen frei liegt, und ein übriges Teil,

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das im wesentlichen nicht für das Plasma frei liegt, wobei die beiden Teile in elektrischem Kontakt miteinander gehalten sind. Mit einer derartigen Konstruktion kann die Temperatur des Oberflächenteiles, das gegenüber der Entladungskammer frei liegt, auf einem so hohen Wert gehalten werden, daß sich das Dissoziationsprodukt des Entladungsgases nicht darauf ablagert.

Die Erfindung basiert auf folgendem Prinzip. Man betrachtet ein Objekt, das in die beiden Teile A und B unterteilt ist, die in ihren ursprünglichen relativen Positionen miteinander in Kontakt stehen. Makroskopisch gesehen machen die beiden Teile A und B den Eindruck, als ob sie das ursprüngliche einzige Objekt bilden. Mikroskopisch gesehen jedoch stehen die beiden Teile A und B nur bei einer großen Anzahl von Punkten miteinander in Kontakt. Wenn daher beispielsweise nur der Teil A beheizt wird, ist die Menge an Wärme, die vom Teil A durch Wärmeleitung auf den Teil B übertragen wird, sehr klein. Dies ist deswegen so, weil die Teile A und B nur an einer großen Anzahl von Punkten miteinander in Kontakt stehen, so daß der Wärmewiderstand zwischen ihnen viel höher ist als bei dem ursprünglichen einzigen Objekt. Infolgedessen ist die Wärmeübertragung vom Teil A auf das Teil B sehr begrenzt, und die Temperatur des Teiles A kann sehr hoch gehalten werden.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Oberflächenteil der mit der Entladungskammer in Kontakt stehenden Elektrode vom anderen Teil durch Teilung der Elektrode thermisch isoliert, wobei dieser Teil seine Funktion als Elektrode aufgrund seines elektrischen Kontaktes mit dem anderen Teil aufrechterhält. Bei dieser speziellen erfindungsgemäßen Konstruktion kann der Oberflächenteil der Elektrode in Kontakt mit der Entladungskammer im Betrieb auf ausreichend hoher Temperatur gehalten werden, so daß auch dann, wenn PH-^-Gas oder AsHn-Gas als zu ionisierendes Gas verwendet wird, nur vernachlässigbare Mengen an P oder As sich auf dem Oberflächenteil

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der Elektrode niederschlagen. Infolgedessen ist es möglich, einen stabilen Ionenstrom mit hoher Stromstärke über eine lange Zeitdauer zu erhalten. Ein Implantationsgerät, das eine derartige Mikrowellenplasma-Ionenquelle verwendet, liefert ständig einen stabilen Ionenstrom hoher Stromstärke auch nach mehr als 200 Betriebsstunden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen sowie unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Figur 1 eine schematische .Darstellung zur Erläuterung eines Implantationsgerätes unter Verwendung einer Mikrowellenplasma-Ionenquelle;
Figur 2 einen Schnitt durch die Ionenquelle nach Figur 1 längs der Linie X-JX¹ in Figur 1; Figur 3 einen Schnitt durch die wesentlichen Teile einer herkömmlichen Ionenquelle;

Figur 4 einen Schnitt durch die wesentlichen Teile einer erfindungsgemäßen Ionenquelle; und in Figur 5 eine Draufsicht auf das Teil 19B in Figur 4.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Implantationsgerätes hoher Stromstärke^ bei dem als Ionenquelle eine Mikrowellenplasma-Ionenquelle verwendet wird. Die von einem Mikrowellengenerator 1, einem Magnetron mit einer Frequenz von 2₇45 GHz und einer Leistung von 600 W, erzeugten Mikrowellen breiten sich zum Steghohlleiter 4 über einen rechteckigen Wellenleiter 2 aus und breiten sich von dort zur Entladungskammer 6 über ein vakuumdichtes Dielektrikum 5 aus aluminiumhaltigem Porzellan aus. Ein elektrisches Mikrowellenfeld wird zwischen die Entladungskammer bildenden Stegelektroden 7 ausgebildet. Diejenigen Oberflächen der Stegelektroden 7, die der Entladungskammer 6 gegenüberliegen, sind im wesentlichen parallel angeordnet. Wie sich aus der vergrößerten Schnittdarstellung in Figur 2 längs der Linie X-X¹ in Figur 1 entnehmen läßt, sind die anderen Teile als der von den gegenüberliegenden Stegelektroden 7 gebildete

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Raum mit Dielektrika 8 aus Bornitrid gefüllt, um einen Bereich zur Erzeugung eines Plasmas zu begrenzen. Das bedeutet, unter den zwei Paaren von Wänden der Entladungskammer 6 parallel zur Richtung des Ionenabzuges wird ein Paar von Wänden von den Stegelektroden 7 und das andere Paar von Wänden von den Dielektrika 8 gebildet. Außerdem ist die Entladungskammer 6 von einem dielektrischen Gehäuse 9 aus Bornitrid umgeben, um zu verhindern, daß das die Stegelektroden 7 bildenden Metallelement sich in die Kammer hineinmischt, und um die Kammer thermisch gegenüber ihrer Umgebung zu isolieren. Wie sich aus Figur 2 entnehmen läßt, ist die Entladungskammer so ausgebildet, daß der Umfang des Schnittes senkrecht zur Richtung des Ionenstrahlabzuges als längliches Viereck ausgebildet ist, wobei die Abmessungen mit 5 mm χ 44 mm des Rechtecks etwas größer sind als die Abmessungen von 2 mm χ 40 mm des Ionenabzugs-Elektrodensystems 10.

PHn-Gas wird durch eine nicht dargestellte Gaseinführungsöffnung in die Entladungskammer 6 eingelassen, wobei der Druck in der Entladungskammer 6 nach der Einleitung ungefähr 8 χ Torr beträgt, und ein Magnetfeld von ungefähr 1000 Gauss, das auf das elektrische Feld der Mikrowellen einwirkt, wird von einer Magnetfelderregerspule 11 erzeugt. Dann wird innerhalb der Entladungskammer 6 das Plama erzeugt. Die Ionen werden vom Ionenabzugs-Elektrodensystem 10 aus dem in der Entladungskammer 6 erzeugten Plasma abgezogen. Die Entladungskammer 6 wird mit einem Vakuumsystem 12 auf einem vorgegebenen Druck von etwa 1 χ 10 Torr gehalten. Darüber hinaus wird ein Sperrflansch 3 verwendet, um für eine Gleichstromisolierung zwischen dem Mikrowellengenerator 1 und der Ionenquelle zu sorgen.

Der Ionenstrahl, der P , P , P ,PH usw. enthält, wird bei seinem Abzug durch das Ionenabzugs-Elektrodensystem 10 einer Massentrennung durch den Massenseparator 13 unterworfen, der einen Ablenkungswinkel von 60 , einen Radius von 40 cm und ein Magnetfeld von 9500 Gauss aufweist, und nur die P -Ionen werden in die Ionen-Targetkammer 14 einge-

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leitet. Der in die Targetkammer 14 eingeleitete P -Ionenstrahl mit einem Implantationsstrom von 3 mA bestrahlt Halbleiterplättchen 16, die jeweils einen Durchmesser von 7,5 cm (3 inch) aufweisen, durch ein Schlitzsystem 15. Es sind vierundzwanzig Plättchen 16 auf der Außenoberfläche einer Trommel 17 mit einem Radius von 40 cm angeordnet. Die Trommel 17 dreht sich mit einer festen Geschwindigkeit von 15 Umdrehungen pro Minute in einer Richtung senkrecht zur Bestrahlungsrichtung des Ionenstrahles und bewegt sich außerdem in Richtung der Achse der Trommel 17 vorwärt und rückwärts. Dies dient dazu, eine Überhitzung der Plättchen 16 durch den Ionenstrahl hoher Stromstärke zu vermeiden.

Figur 4 zeigt einen auseinandergezogenen Schnitt eines Teiles der Entladungskammer 6 und des Ionenabzugs-Elektrodensystems 10 aus Figur 1 bei einer erfindungsgemäßen Anordnung. Wie bereits im Zusammenhang mit Figur 1 erläutert, ist die Entladungskammer 6 von den Stegelektroden 7 und anderen Teilen der Umgebung durch das dielektrische Gehäuse 9 aus Bornitrid isoliert. Das Ionenabzugs-Elektrodensystem 10 in Figur 1 weist eine positive Elektrode 19 mit einem Potential von + 50 kV, eine negative Elektrode 20 mit einem Potential von - 2 kV sowie eine geerdete Elektrode 21 mit einem Potential von 0 V auf. Die Stegelektroden 7 und die positive Elektrode 19 sind durch das Dielektrikum 18 aus Bornitrid isoliert. Bei dem Ionenabzugs-Elektrodensystem 10 besteht die mit der Entladungskammer 6 in Kontakt stehende positive Elektrode 19 aus den beiden Teilen 19A und 19B, wobei eine Draufsicht vom Teil 19B in Figur 5 gezeigt ist. Der Grund hierfür ist folgender. Es gibt einen Ionenschlauch oder eine Ionenschicht, die sich zwischen dem Plasma, das in der Entladungskammer 6 und der Innenwandoberfläche des die Entladungskammer 6 bildenden Gehäuses 9 erzeugt wird, und zwischen dem Plasma und der Innenwandoberfläche des Teiles 19B der Elektrode 19 erstreckt, welche auf der Seite der Entladungskammer 6 liegt, so daß das Plasma ein Floatingpotential von

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üblicherweise einigen Volt bis zu einigen 10 Volt gegenüber diesen Flächen besitzt.

Dementsprechend prallen Ionen mit einer Energie gleich dem Floatingpotential stets gegen diese Oberflächen und heizen sie mit der thermischen Energie der Ionen auf. Da jedoch die positive Elektrode 19 in die beiden Teile 19A und 19B unterteilt ist, steigt nur die Temperatur des Teils 19B an, und der Temperaturanstieg des Teiles 19A ist, wie bereits erwähnt, sehr gering. Das gleiche gilt zwischen dem dielektrischen Gehäuse 9 und den Stegelektroden 7 und den anderen umgebenden Teilen. Das bedeutet, sämtliche Wandoberflächen, welche das Plasma umgeben, sind gegenüber der Umgebung thermisch isoliert. Infolgedessen bleiben die Wandoberflächen um das Plasma sehr heiß, so daß auch dann, wenn PH₃-GaS oder AsEU-Gas als zu ionisierendes Gas verwendet wird, sich P oder As nicht auf der Wandoberfläche des Teils 19B ablagern können. Es wurde ein Versuch durchgeführt, bei dem rostfreier Stahl als Elektrodenmaterial für die beiden Teile 19A und 19B verwendet wurde. Es gab eine sehr geringfügige Ablagerung, aber eine gewisse Deformation,' die als thermische Deformation anzusehen ist.

Anschließend wurde Kohle als Material für das Teil 19B verwendet. Dies führte zu nahezu keiner Verformung, und es wurden gute Ergebnisse erhalten.

Das Teil 19B bei dieser Ausführungsform besaß eine Flächenabmessung von 50 mm χ 10 mm und eine Dicke von 2 mm. Andererseits hatte die herkömmliche Anordnung gemäß Figur 3 eine aus rostfreiem Stahl bestehende Elektrode 19' in einstückiger Ausbildung. Wie bereits erwähnt, hat die Verwendung eines einstückigen Gebildes eine sehr hohe Wärmeleitung zur Folge. Dementsprechend stieg die Temperatur der dem Plasma gegenüberliegenden Wandflächen nicht an, was zu einer Ablagerung von P oder As führte. Infolgedessen wurde die Lebensdauer der Ionenquelle wesentlich verkürzt.

Bei der Anordnung gemäß Figur 4 stehen die beiden Teile 19A und 19B, welche die positive Elektrode 19 bilden, mit-

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einander in Kontakt, so daß eine elektrische Verbindung vorliegt. Demen-tsprechend ist der beste Aufbau der Anordnung einer, bei dem das Teil 19B zwischen dem Dielektrikum 18 sowie dem dielektrischen Gehäuse 9 und dem Teil 19A gehalten ist.

Bei der oben beschriebenen Ausfuhrungsform wird die elektrische Verbindung zwischen den Teilen 19A und 19B durch gegenseitigen Kontakt hergestellt. Es können jedoch auch andere elektrische Verbindungsmittel verwendet werden. Somit läßt sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine thermische Isolierung durch Unterteilung der Elektrode erreichen, wobei die beiden Teile miteinander in Kontakt gebracht werden.

Dabei ist die Unterteilung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt, vielmehr können auch andere Arten der Teilung gewählt werden. Die Erfindung ist auch nicht auf Mikrowellenplasma-Ionenquellen beschränkt, sondern läßt sich auch für sämtliche anderen lonenquellen verwendet, bei denen eine Elektrode vorgesehen ist, um Ionen von den Plasmaflächen des Plasmas abzuziehen. Des weiteren können mit lonenquellen der oben beschriebenen Art stabile Ionenstrahlen hoher Stromstärke über eine lange Zeitspanne erreicht werden, so daß der industrielle Wert der erfindungsgemäßen Anordnung sehr hoch ist.

Zusammenfassend wird somit eine Ionenquelle angegeben, die sich durch eine spezielle Konstruktion der Abzugselektrode in Kontakt mit der Entladungskammer auszeichnet. Die Elektrode ist unterteilt in ein Teil, das im wesentlichen gegenüber dem Plasma freiliegt und ein anderes Teil, das nicht gegenüber dem Plasma freiliegt. Außerdem sind diese beiden Teile in einem Zustand gehalten, in dem sie elektrisch miteinander verbunden sind. Infolgedessen schlägt sich sehr wenig P oder As auf der Oberfläche der Elektrode nieder, und es kann ein stabiler Ionenstrahl hoher Stromstärke über eine lange Zeitspanne geliefert werden.

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Claims

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Ionenquellen, genauer gesagt eine Mikrowellenplasma-Ionenquelle, die als Implantationsgerät für hohe Ströme geeignet ist.

Implantationsgeräte lassen sich ganz allgemein in solehe mit niedrigem Strom mit Werten von 10 μΑ bis unterhalb von 1 mA und solche mit hohem Strom mit Werten von 1 mA oder darüber einteilen. Dies ist der Fall, weil die erforderlichen Verunreinigungsdosen sich in Abhängigkeit von den herzustellenden Halbleitereinrichtungen ändern, wobei der

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Bereich zwischen 10 und 10 Ionen/cm liegt. Da Implantationsgeräte mit niedrigem Strom leichter herzustellen sind, sind die meisten derzeit in Betrieb befindlichen Implantationsgeräte von einem derartigen Typ mit niedrigem Strom. Dementsprechend waren die Anwendungsgebiete der Implantationsgeräte auf die Fälle begrenzt, wo die Dosen verhältnismäßig klein sind, beispielsweise für die Kanäle von MOS-Transistoren und die Basen von bipolaren Transistoren. In jüngster Zeit ist jedoch das Bedürfnis entstanden, Emitter von biplaren Transistoren und Source- und Drain-Elektroden von MOS-Transistoren herzustellen, wo die Dosen groß sind, und zwar auch durch Ionenimplantation. Daher sind Implantationsgeräte mit hohem Strom erforderlich, um diesem Bedürfnis nachzukommen. Im allgemeinen weist ein Implantationsgerät eine Ionenquelle, einen Massenseparator und eine Targetkammer auf. Ob das Implantationsgerät mit hohem oder niedrigem Strom arbeitet, hängt von der Ausführungsform der verwendeten Ionenquelle ab. Derzeit gibt es zwei Arten von Geräten, die. in der Lage sind, eine Implantation in der Größenordnung von 1 mA durchzuführen. In einem Falle handelt es sich um ein Gerät, bei dem eine Ionenquelle mit einem thermionischen Heizfaden verwendet wird, wobei eine Niedervolt-Bogenent-

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g) Int. Cl. ³:

19) BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES

PATENTAMT H OU 37/08

Offenlegungsschrift 30 21 221

Aktenzeichen: P 30 21 221.6-33 Anmeldetag: 4. 6.80 Offenlegungstag: 11.12.80

Unionspriorität: @) ®) ÖD

4. 6.79 Japan P 68952-79

Bezeichnung: Mikrowellenplasma-lonenquelle

Anmelder:

Hitachi, Ltd., Tokio

Vertreter:

Erfinder: Füner, A.v., Dr.; Strehl, P., Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing.;
Schübel-Hopf, U., Dr.; Ebbinghaus, D., Dipl.-Ing.; Finck, D., Dr.-Ing.;
Pat.-Anwälte, 8000 München

Sakudo, Noriyuki; Tokiguchi, Katsumi; Tokio;

Koike, Hidemi, Tokorozawa, Saitama; Kanomata, Ichiro, Tokio (Japan)

Prüfungsantrag gem. § 28 b PatG ist gestellt

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