DE3136787C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verstärkten Neutralisierung eines Strahls positiver Ionen in einer Ionenimplantationsanlage mit den in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 10 genannten Merkmalen.

Auf dem Gebiet der Ionenimplantation ist es bekannt, daß ein geladener Ionenstrahl zum Aufbau einer Ladung auf der implantierten Fläche, z. B. einem Halbleiterplättchen, führt. Diese Ladung kann von der Oberfläche des Plättchens dadurch entfernt werden, daß man es auf einer leitfähigen Platte anordnet und einen Strom durch die Platte abfließen läßt. Bei Isolier- und Halbleitermaterialien, wie sie bei der Verarbeitung von integrierten Schaltkreisen vorkommen, ist es jedoch nicht möglich, von diesem Mechanismus die volle und effektive Neutralisierung der Aufnahmefläche zu erwarten. In solchen Fällen baut sich eine Ladung auf der Oberfläche des Materials auf, die gwöhnlich positiv ist, da die meisten Ionenstrahlen positiv geladen sind. Eine solche Ladung kann die automatische Handhabung der Plättchen durch eine Klebwirkung behindern, sie kann Teile von ausgebildeten integrierten Schaltkreisen durchschlagen und kann zu einer ungleichmäßigen Implantation führen, da geladene Teile des Plättchens den Ionenstrahl ablenken. Das Vorhandensein einer solchen Oberflächenladung wird daher als Ursache für eine verminderte Ausbeute an integrierten Schaltkreisen betrachtet.

Bei Ionenimplantationsanlagen zur praktischen Verwendung handelt es sich bei den Ionenstrahlen gewöhnlich um positiv geladenes Bor, Arsen, Phosphor oder dgl. Der Versuch, den Aufbau von Ladungen auf der Plättchenoberfläche einzuschränken, besteht daher in dem Versuch, Elektronen zu erzeugen, die die Neutralisierung des betreffenden Materials innerhalb des Ionenstrahls bewirken. Dieses Verfahren ist allgemein unter der Bezeichnung Elektronenüberflutung bekannt. In ihrer Grundform besteht sie in der Aufbringung von Elektronen auf die Zieloberfläche. Bei Halbleiterplättchen, die einer Implantation unterzogen werden sollen, hat es sich jedoch gezeigt, daß die direkte Aufbringung von Elektronen zu einer Verunreinigung von dem Glühfaden der Elektronenquelle her führen kann. Hierzu sei auf die US-PSen 41 35 097 und 41 18 630 verwiesen. Das in diesen Patentschriften beschriebene Verfahren besteht darin, eine Abschirmung zwischen der Elektronenquelle und dem Halbleiterplättchenmaterial vorzusehen, um die direkte Bestrahlung des Halbleiterplättchens über die Oberfläche zu verringern. Stattdessen werden die Elektronen in den Strahl allgemein quer zu den Strahlen eingeführt, um eine Neutralisierung des Strahls zu bewirken. Die einzelnen Ionen des Strahls werden nicht neutralisiert, sonderen es wird eine effektive Neutralisierung der Ladung innerhalb des Strahlvolumens erreicht. Im Effekt bewegen sich die Ionen als Ionen, und die Elektronen bewegen sich als Elektronen, sind jedoch in dem positiven Feld des Ionenstrahls eingefangen. Wenn die Ionen und die Elektronen innerhalb des Strahls die Oberfläche des Aufnahmematerials erreichen, können sie sich nicht mehr frei in der Richtung des Strahls bewegen, sondern nur in der Ebene der Oberfläche; sie bewegen sich in dieser Ebene, bis eine Neutralisierung eintritt. Bei diesem Verfahren kann der Wirkungsgrad des Einfangens von Elektronen in dem Strahl nur gering sein, und zwar wegen der großen Geschwindigkeit der thermischen Elektronen und des geringen Einfangquerschnitts des Strahls für die Elektronen.

Es ist zwar unerwünscht, ein Halbleiterplättchen direkt mit Elektronen zu beschließen, doch besteht die Notwendigkeit, einen Ionenstrahl auf irgendeine Weise zu neutralisieren, um Ladungen an der Oberfläche des implantierten Plättchens zu vermeiden. Wie vorstehend erwähnt, besteht eine Neutralisierung normalerweise nicht in der Neutralisierung jedes einzelnen Ions, sondern vielmehr in der Raumladungsneutralisierung des Ionenstrahlvolumens. Doch selbst in diesem Fall ist der Einfangquerschnitt des Ionenstrahlvolumens für Elektronen relativ klein. Der Querschnitt läßt sich durch Verstärken des Strahlstroms und damit der Anziehungskraft des Strahls für Elektronen vergrößern doch dies führt zu einer größeren Ladung auf dem Halbleiterplättchen. Andererseits würde eine Verlangsamung der Elektronen die Wahrscheinlichkeit des Einfangens erhöhen. Elektronen, die von thermischen Quellen emittiert werden, können jede gewünschte Geschwindigkeit erhalten, doch ist es oft schwierig, genügend Elektronen aus solchen thermischen Quellen bei Energien zu erzeugen, die niedrig genug sind, um eine wirksame Neutralisierung herbeizuführen.

Aus der JP-PS 54-1 24 879 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, bei der zur Neutralisation des Ionenstrahls für die Ionenimplantation zwar Sekundärelektronen benutzt werden, die aber der Ionenstrahl selbst beim Auftreffen auf eine Abschirmplatte erzeugt. Dadurch besteht nicht die Möglichkeit, die Zahl und Energie der Sekundärelektronen unabhängig vom Ionenstrahl so einzustellen, daß sich eine möglichst gute Neutralisation der positiven Ionen ergibt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem bzw. bei der zur Verbesserung der Neutralisierung des Strahls positiver Ionen die Zahl und Energie der Sekundärelektronen unabhängig vom Ionenstrahl eingestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren und einer Vorrichtung der eingangs genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 bzw. 10 genannten Merkmale gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine genügende Menge von Sekundärelektronen mit einer Energie erzeugt werden, bei der sie zum Einfangen in den sich bewegenden positiv geladenen Ionenstrahl geeignet sind. Ferner kann die Anzahl der Sekundärelektronen dadurch vergrößert werden, daß man den primären Elektronenstrahl auf ein Auffangmaterial mit einer Ausbeute an Sekundärelektronen, die größer ist als 1, auftreffen läßt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schrägansicht eines Ionenstrahls, der auf eine Aufnahmeeinrichtung trifft, in Zuordnung zu der Vorrichtung zur Erzeugung von Sekundärelektronen;

Fig. 2 den Aufbau der Vorrichtung zur Erzeugung von Sekundärelektronen;

Fig. 3 die bevorzugte Glühfadenanordnung für die Elektronenquelle der Vorrichtung zur Erzeugung von Sekundärelektronen;

Fig. 4 ein Schaubild der Energien von Sekundärelektronen bei Silber als Auffangmaterial; und

Fig. 5 ein Schaubild der Abnahme des Potentials an einer Oberfläche als Funktion des positiven Ionenstrahlstroms und des primären Elektronenstrahls, der Sekundärelektronen erzeugt.

Zu einer Vorrichtung zur verstärkten Neutralisierung eines positiv geladenen Teilchenstroms gehört eine Quelle für Primärelektronen, die auf ein nahe dem Ionenstrahl angeordnetes Auffangmaterial gerichtet werden. Die Sekundärelektronen weisen eine geringe Energie auf und eignen sich dazu, innerhalb des Volumens des positiv geladenen Strahls eingefangen zu werden. Der Ionenstrahl zieht diese Elektronen geringer Energie an, bis eine effektive Neutralisierung des Strahls erreicht ist. Die Ionen in dem Strahl werden einzeln neutralisiert, wenn der Strahl auf die Aunahmefläche trifft.

Bei einer Einrichtung zur Ionenimplantation ist es notwendig, die Raumladung des Ionenstrahls zu regeln. Allgemein gesprochen, bewirkt die positive Raumladung eine Streuung des Strahls in unerwünschtem Ausmaß. Es ist daher bekannt, ein Maß von Neutralisierung des Strahls an der Quelle zu bewirken, indem man überschüssiges gasförmiges Quellenmaterial zuführt, so daß einmal erzeugte und mindestens teilweise beschleunigte Ionen mit diesem Gas in Wechselwirkung treten und neutralisiert werden können. Dieses Verfahren läßt sich jedoch nicht gut steuern und kann den Strahl überneutralisieren. Außerdem ist das Verfahren nicht sehr angebracht, wenn mit mehreren Beschleunigungsstufen gearbeitet wird, was notwendigerweise voraussetzt, daß der Strahl in stromabwärtiger Richtung ionisiert bleibt. Außerdem kann bei einem teilweise neutralisierten Strahl ein Verlust an Elektronen in dem bewegten Strahl infolge des Durchtritts durch elektrostatische Linsen oder an Vorspannplatten vorbei auftreten. Im Hinblick auf die Strahldispersion sowie die Aufladung von Plättchen besteht daher ein allgemeiner Bedarf nach einer Neutralisierung eines positiv geladenen Ionenstrahls mit Hilfe einer Vorrichtung, die eine feine Regelung ermöglicht und einen ausreichenden Strom einfangbarer Elektronen erzeugt.

Gemäß Fig. 1 ist ein Ionenstrahl 10 in einer Ionenimplantationsanlage zum praktischen Gebrauch leicht divergierend und allgemein konisch geformt. Die Divergenz ist, wie vorstehend erläutert, auf die innere Abstoßung der positiv geladenen Ionen zurückzuführen. Wie eingangs beschrieben ist es bekannt, Elektronen zum Überfluten des Aufnahmematerials 11, z. B. eines Halbleiterplättchens, zu verwenden, oder es werden gemäß der US-PS 41 35 097 Elektronen direkt in den Strahl eingeleitet und stromaufwärts von dem Aufnahmematerial in dem Strahl eingefangen. Alternativ kann der Strahl an seiner Quelle durch das Herbeiführen von Kollisionen mit überschüssigen Gasmolekülen neutralisiert worden sein. In allen diesen Fällen kann die Streuung des Strahls teilweise geregelt oder die Oberflächenladung verringert werden.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 bewirkt eine verstärkte Neutralisierung des Strahls durch Erzeugen eines Primärelektronenstrahls 12, der auf ein Auffangmaterial 13 auftrifft, um die Erzeugung von Sekundärelektronen 14 hervorzurufen, die in dem Ionenstrahl eingefangen werden. Der Ausdruck "Sekundärelektron" bezeichnet hierin diejenigen Elektronen, deren Emission von der Oberfläche des Auffangmaterials stimuliert wird. Hierbei handelt es sich um eine Elektronenemission, die durch empfangene Elektronen stimuliert wird, im Gegensatz zu Sekundärelektronen der durch Implantation von Ionen in ein Aufnahmematerial erzeugten Art. Die Ausbeute an diesen Sekundärelektronen wird definiert als das Verhältnis emittierter Sekundärelektronen 14 zu den aus dem Primärstrahl 12 auftreffenden Elektronen. Die Ausbeute aus dem Auffangmaterial kann bestimmt werden, indem man das Material entsprechend wählt und die Energie der Primärelektronen regelt. Es wird auf die Arbeiten "Secondary Electron Emission" von A. J. Dekker in "Solid State Physics", S. 418 ff. (1957), und "Secondary Emission" von D. E. Gray, Hrsg., in "American Institute of Physics Handbook", 3. Auflage (1972), S. 9-183 ff., verwiesen. Die emittierten Sekundärelektronen bewegen sich langsam im Vergleich zu dem primären Elektronenstrahl und weisen größtenteils Energien von weniger als 100 eV auf, so daß sie im Feld des bewegten Ionenstrahls einen bedeutenden Einfangquerschnitt haben. Dies ist in Fig. 4 für Sekundärelektronen gezeigt, die durch Beschießen einer Silberfläche mit Primärelektronen von 155 eV erzeugt werden (aus dem erwähnten Aufsatz von A. J. Dekker, S. 419, entnommen). Die Spitzen nahe 150 eV gelten für reflektierte Elektronen. Die überwiegende Menge der Sekundärelektronen hat eine Energie von wenigen eV und läßt sich einfangen. Die Ausbeute an Sekundärelektronen kann größer sein als 1, das sie sowohl aus reflektierten Primärelektronen als auch aus echten Sekundärelektronen besteht. Gemäß Fig. 1 sind die Sekundärelektronen 14 gestreut und bewegen sich langsam, und sie werden dem Ionenstrahl über einen größeren Abschnitt seiner Länge ausgesetzt, um dadurch ein Einfangen zu erleichtern.

Bei einem gegebenen Material besteht eine Beziehung zwischen der Ausbeute an Sekundärelektronen und der Energie des einfallenden Elektronenstrahls. Die Einfallenergie für maximale Ausbeute bei Metallen variiert zwischen etwa 300 eV (A1) und etwa 800 eV (Pt); bei Oxiden kann sie 1100 eV erreichen (MgO) (A. J. Dekker, siehe oben, S. 422). Es besteht keine Notwendigkeit, diese Energie in dem einfallenden Strahl zu überschreiten, wenn nicht hemmende Kräfte in der Nähe der Elektronenquelle zu überwinden sind. Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung einfallender Elektronen mit einer unter dem optimalen Wert liegenden Energie die Verstärkung der Neutralisierung leicht beeinträchtigen kann. Als bedeutsamerer Faktor wird jedoch das Phänomen der selbstbegrenzenden Raumladung des Strahls selber betrachtet; je größer die positive Nettoladung des Ionenstrahls ist, desto stärker werden die neutralisierenden Elektronen angezogen. Der Ionenstrahl nimmt sich im Effekt die Elektronen, die er braucht, wenn sie zur Verfügung stehen. Die beschriebene Vorrichtung liefert diese Elektronen in genügender Menge und mit der zum Einfangen geeigneten Energie. Diese Aufgabe kann durch einen primären Elektronenstrahl nicht ohne weiteres erfüllt werden, da nur ein ungenügender Strom mit ausreichend niedrigen Energienen aus thermischen Quellen zur Verfügung steht.

Der primäre Elektronenstrahl 12 wird durch eine Glühfadenkathode 16 erzeugt. Der Glühfadenkathode 16 wird Strom aus einer Glühfadenstromquelle 21 zugeführt. Es wird eine Reflektorabschirmung 15 verwendet, um die durch thermionische Emission von der Glühfadenelektrode 16 ausgesandten Elektronen in Richtung auf das Auffangmaterial 13 elektrostatisch zu lenken. Um eine Behinderung der Emission primärer Elektronen durch den Reflektor zu vermeiden, hält ihn eine Vorspannungsquelle 22 auf einer Spannung, die mindestens ebenso negativ ist wie das Potential der ausgesandten Elektronen gegenüber dem Faraday′schen Käfig 20, um nicht die Emission des Strahls zu stören. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Reflektor elektrisch mit dem Glühfaden verbunden. Außerdem ist bei der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 3 der Glühfaden in Form einer Wendel 25 ausgebildet, um die Elektronenemission zu verstärken. Wie auf dem Gebiet der Ionenimplantation bekannt, tritt der positiv geladene Ionenstrahl 10 in einen Farady′schen Käfig 20 ein, der die Platte 9 und das zu implantierende Plättchen 11 enthält. Wie in Fig. 2 gezeigt, tritt der primäre Elektronenstrahl durch eine Öffnung 24 in diesen Raum ein; die gesamte durch das Amperemeter 23 gemessene Stromstärke gibt daher sowohl diesen Anteil als auch den Anteil des Ionenstrahls 10 und sekundärer Elektronen sowohl aus dem Auffangmaterial als auch solcher Elektronen wieder, die von Ionen auf dem Halbleiterplättchen herstammen. Bei einer anderen Ausführungsform ist die beschriebene Vorrichtung weiter stromaufwärts angeordnet und weist keinen Faraday′schen Käfig auf, um den Strahl zu neutralisieren und seine Streuung zu verhindern.

Die Wirksamkeit der beschriebenen Vorrichtung wird durch die Kurven in Fig. 5 veranschaulicht. Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 wurde mit einer Abschirmung aus Aluminium gearbeitet. Eine Metallfläche mit einem Widerstand zwischen dieser und Masse von 10 Megohm wurde positiven Ionenstrahlen mit den in der oberen rechten Ecke der Zeichnung angegebenen Stromstärken ausgesetzt. Die drei in Vollinien gezeichneten Kurven gelten für das Potential auf der Metallfläche als Funktion der Stromstärke (in Mikroampere) des primären Elektronenstrahls. Das Potential der Metallfläche wird fast bis auf Null reduziert, wenn ein ausreichender primärer Elektronenstrom vorhanden ist, wie auf der unteren Abszisse gezeigt, um die Abgabe einer ausreichenden Anzahl von Sekundärelektronen durch das Hilfsmaterial zu stimulieren, um den Strahl zu neutralisieren. Der Ionenstrahl mit der höchsten Stromstärke (300 Mikroampere, 150 keV) wurde ebenfalls mit einem noch stärkeren primären Elektronenstrom neutralisiert, wie die Skala auf der oberen Abszisse zeigt. Die Form der Kurven zeigt, daß die Erzeugung von Sekundärelektronen direkt mit dem primären Elektronenstrahlstrom ansteigt, daß jedoch das Eintreten von Elektronen in den Strahl langsamer vor sich geht, wenn der Strahl sich der Neutralisierung nähert. Dies steht in Einklang mit dem oben behandelten Selbstbegrenzungsphänomen.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur verstärkten Neutralisierung eines Strahls positiver Ionen in einer Ionenimplantationsanlage mit einer Quelle für Sekundärelektronen, die zur Neutralisierung der positiven Ionen in den Ionenstrahl eingeführt werden,
gekennzeichnet durch
eine Elektronenquelle (16) zur Erzeugung eines primären Elektronenstrahls (12) und ein Auffangmaterial (13), das nahe dem aber außerhalb des Ionenstrahls (10) angeordnet ist und bei Beschießen mit dem primären Elektronenstrahl Sekundärelektronen (14) mit kleiner Energie als die der Elektronen des primären Elektronenstrahls (12) zum Einfangen durch den Ionenstrahl (10) abgibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Elektronenquelle (16) erzeugte primäre Elektronenstrahl (12) durch den Ionenstrahl (10) hindurchtritt, bevor er auf das Auffangmaterial (13) auftritt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kinetische Energie der Elektronen im primären Elektronenstrahl (12) so gewählt ist, daß die mindestens so groß ist wie die für die maximale Abgabe von Sekundärelektronen (14) durch das Auffangmaterial (13) erforderliche Energie.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbeute an Sekundärelektronen (14) aus dem Auffangmaterial (13) mindestens 1 beträgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Auffangmaterial (13) aus Metall besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall des Auffangmaterials (13) Aluminium ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle ein Glühfaden, eine elektrische Stromquelle (21) zum Heizen des Glühfadens (16) sowie eine Reflektorabschirmung aufweist, die so angeordnet ist, daß sie Elektronen in Richtung zum Auffangmaterial (13) reflektiert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Stromquelle (21) die Menge und die mittlere kinetische Energie der von der Elektronenquelle (16) abgegebenen Elektronen bestimmt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühfaden die Form einer Wendel (25) hat.

10. Verfahren zur verstärkten Neutralisierung eines Strahls positiver Ionen in einer Ionenimplantationsanlage unter Erzeugen von Sekundärelektronen, die zur Neutralisierung der positiven Ionen in den Ionenstrahl eingeführt werden, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Erzeugen eines primären Elektronenstrahls (16), Leiten des primären Elektronenstrahls auf ein Auffangmaterial (13) zur Erzeugung von Sekundärelektronen (14), deren Energie kleiner als die der Elektronen im primären Elektronenstrahl (12) ist, und Ausrichten der Sekundärelektronen (14) auf den Weg des Ionenstrahls (10).

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausrichten der Sekundärelektronen (14) das Auffangmaterial (13) in der Nähe des Ionenstrahls (10) angeordnet wird.