DE3641578A1 - Verfahren und vorrichtung zur reinigung einer ionenimplantationskammer - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Ionen­ implantation ganz allgemein und insbesondere auf die Steuerung oder Kontrolle von teilchenförmiger Verunreinigung in einer Ionenimplantationskammer.

Die Herstellung von elektronischen Halbleitervorrichtungen und anderen Mikro-Vorrichtungen entwickelt sich ständig weiter zu kleineren Dimensionen der Komponenten hin und somit zu einer größeren Dichte der Mikroelemente. Wenn die Abmessungen der Komponenten auf das Ein-Mikrometer-Niveau absinken und auch noch darunter, so werden die Probleme der Verunreinigung während der Herstellung zunehmend wichtig.

Es wurde erkannt, daß die Herstellung der Vorrichtungen unter einer strengen Kontrolle der Verunreinigungen und teilchen­ förmigen Materialien ausgeführt werden muß. Von besonderer Beachtung ist für die Halbleiterindustrie, die hochgradig integrierte Schaltungen herstellt, die Steuerung oder Kontrolle von Teilchen während des Implantationsverfahrens elektrisch aktiver Ionen in die Silizium-Wafer.

Ein derzeit während der Verarbeitung von Silizium-Wafers verwendetes lmplantationsverfahren bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen (einschließlich der im großen Maßstab integrierten Schaltungen gleich LSI-Schaltungen) umfaßt eine Anzahl von Schritten deren jeder eine starke Verunreinigungs­ möglichkeit für das Wafer mit Teilchen in der Größenordnung von einem Mikrometer bedeutet. Zu diesen Schritten gehört die Übertragung des Wafers in eine Vakuumkammer, das Drehen oder Rotieren des Wafers mit hohen Drehgeschwindigkeiten, die Bombardierung des Wafers mit hohen Strömen aus energiereichen Ionen und die Entfernung der Wafers aus der Kammer zur nächsten Verarbeitungsstufe. Die US-Patente 42 34 797 und 44 19 584 beschreiben Ionenimplantationssysteme die besonders für die Dotierung von Halbleitersubstraten geeignet sind und deren Offenbarung zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Die vorliegende Erfindung sieht eine automa­ tische Möglichkeit vor um das Teilchen-Niveau unterhalb des von der Industrie gestatteten Maximums zu halten.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Teilchen-Verun­ reinigungs-Niveaus dadurch vermindert, daß man ein Reinigungs­ verfahren vorsieht, welches abwechselnd den Druck in einer Ionenimplantationskammer anhebt und absenkt, während die Turbulenz innerhalb der Kammer Verunreinigungsteilchen lockert. Die gelockerten Teilchen werden aus der Kammer jedesmal dann "herausgefegt", wenn der Druck abgesenkt wird und das wiederholte zyklische Verändern des Drucks senkt die Verunreinigungskonzentration ab.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Turbulenz dadurch erzeugt, daß man einen Wafer-Träger durch die Implantationskammer rotieren läßt, während der Druck zyklisch verändert wird. Der Druck wird durch eine Pumpe abgesenkt, die mit der Kammer gekuppelt ist, und zwar eine Pumpe, die zum Absenken des Drucks innerhalb der Kammer während der Ionenimplantation verwendet wird. Der Druck in der Kammer wird durch Belüften der Kammer angehoben und man läßt getrocknete gefilterte Luft in die Kammer eintreten. Wenn der Scheiben- oder Wafer-Träger durch die Luft rotiert, so wird eine Turbulenz geschaffen, die die Teilchen von den Wänden der Kammer und auch vom Wafer-Träger lockert und löst. Durch Absenken des Drucks werden diese gelockerten Teilchen aus der Kammer herausgespült. Eine wiederholte zyklische Veränderung des Drucks während der Rotation des Wafer-Trägers in der Kammer senkt das Verunreinigungsniveau asymptotisch ab.

Die Durchführung der Erfindung ergibt maximale Teilchen­ niveaus, die die niedrigsten sind, die bislang bei kommerziel­ len Implantationsvorrichtungen erreicht wurden. Das Reini­ gungsverfahren erfolgt schnell und in reproduzierbarer Weise. Das Verfahren umfaßt keine manuellen Schritte. Das Reinigungs­ verfahren wird vollständig durch einen Computer gesteuert und jeder Schritt der ganzen Folge kann je nach Versuchen und Notwendigkeit geändert werden. Das Reinigungsverfahren wird durch den gleichen Computer gesteuert, der zur Steuerung des Ionenimplantationsverfahrens selbst verwendet wird und wird so eine der Standardfolgen, die bei der Verarbeitung der Wafers für eine kommerzielle Produktion verwendet werden.

Das Verfahren besitzt eine große Flexibilität: Die Zeit­ inkremente jedes Schrittes in der Folge wie auch der Druck in der Kammer während jeder Agitation oder Bewegung der Gasphase kann abhängig von der Erfahrung und dem Bedürfnis verändert werden.

Eine die Teilchenkonzentration überwachende Inspektionsphase kann verwendet werden um eine positive Anzeige dafür zu liefern wann der Implantationsprozeß gestartet werden soll. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Wafer- oder Scheiben-Träger derart geformt, daß der Turbulenzzyklus effektiver gemacht wird.

Aus den obigen Ausführungen ergibt sich, daß ein Ziel der Erfindung darin besteht, eine kontrollierte oder gesteuerte Reduktion der Verunreinigungsniveaus in einem Ionen­ implantationssystem für die Dotierung von Halbleiter-Wafern vorzusehen.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Ionenimplantations­ station, wobei ein Ionenstrahl, Halbleiter-Wafer, der Wafer-Halter, ein Wafer-Lader und die Implantations­ kammer dargestellt sind;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Luft- und Vakuum- Pfade, die mit der Implantationskammer gekuppelt sind;

Fig. 3 ein Flußdiagramm eines Kammerreinigungsverfahrens.

Fig. 1 zeigt eine Ionentarget- oder Zielkammer 10, die zur Atmosphäre hin geöffnet ist, und zwar in Vorbereitung für die Beladung von Halbleiter-Wafern 12 zum Zwecke der Ionen­ implantation. Ein Ionenquellenbeschleunigerabschnitt 14 der Implantationsvorrichtung steht unter Vakuum, und zwar getrennt durch eine Isolations- oder Trennventil 16 vom Volumen der Targetkammer 10. Eine Ionenquelle 15 leitet einen Strahl 17 aus Ionen durch diese evakuierte Region zur Kammer 10. Ein scheibenförmiger Wafer-Träger 20 ist mit den Wafers 12 beladen und in die Kammer 10 eingesetzt. Die Kammer 10 wird durch ein mit einer Vakuumpumpe 23 gekuppeltes Vakuumventil 22 evakuiert und der Träger 20 wird auf Geschwindigkeit gebracht, wobei die Wafer 12 vor dem Ionenstrahl in Rotation versetzt werden. Das Ventil 22 ist geschlossen und das Ventil 16 ist geöffnet und ein (nicht gezeigter) Faradayischer Käfig wird aus dem Wege gezogen, so daß der Ionenstrahl in die Kammer 10 eintreten kann.

Die Implantation wird auf eine voreingestellte Dosis von Ionen pro Quadratzentimeter entsprechend bekannten Verfahren aus­ geführt. Das Isolationsventil 16 ist geschlossen, die Dreh­ scheibe wird gestoppt und ein Ablaßventil 30 wird geöffnet um gefilterte trockene Luft einzulassen und um das Kammervolumen auf atmosphärischen Druck zu bringen. Der Träger 20 wird aus der Kammer 10 entfernt und die implantierten Wafer 12 werden aus dem Träger zur weiteren Verarbeitung herausgenommen.

Das Reinigungsverfahren gemäß der Erfindung arbeitet am effektivsten wenn die mit der Kammer 10 gekuppelten Ablaß- und Pump-Öffnungen für die effektivste Luftströmung angeordnet sind wenn die Kammer gefüllt oder evakuiert wird. Ersatz- oder Dummy-Wafer werden auf den Träger 20 geladen und dieser wird in der Kammer 10 in Position angeordnet. Die Kammer 10 wird durch das Ventil 22 evakuiert. Das Ablaßventil 30 wird sodann geöffnet um gefilterte trockene Luft eintreten zu lassen. Ein Filter 32 minimiert den Einschluß von in der Luft vorhandenen Teilchen. Wenn die gefilterte trockene Luft in die Kammer 10 gelassen wird, so kann das Ventil 22 nur derart kontrolliert oder gesteuert werden, daß der Druck in der Kammer 10 eingestellt wird.

Der Träger 20 wird mit einer hohen Drehzahl für eine vor­ bestimmte Zeit T in Drehung versetzt. Der rotierende Träger 20 agitiert, d. h. bewegt die Luft in der Kammer 10 um eine hohe Turbulenz zu erzeugen, welche die Teilchen von dem Träger 20 und den Wänden der Kammer 10 löst. Sodann wird das Ablaßventil 30 geschlossen und das Ventil 22 wird geöffnet um so die Kammer zu evakuieren. Die Schritte des Ablassens und Eva­ kuierens der Kammer 10 werden während der Rotation des Trägers 20 abwechselnd ausgeführt. Die Anzahl von abwechselnd ausgeführten Vorgängen (oder Folgen) kann durch den Benutzer programmiert werden. Die Rotation des Trägers wird angehalten und eine abschließende Belüftungs- und Evakuierungs-Folge wird ausgeführt. Nach der vollen Folge von Reinigungsschritten wird das Volumen der Kammer 10 geöffnet und eine Scheibe mit Wafers wird sodann für die Implantation eingegeben. Eine gitterartige Tischoberfläche 50 ist unterhalb einer Laufbahn von einer Wafer-Ladestation 52 zur Ionenimplantationsstation angeordnet, wo der Wafer-Träger 20 in eine vertikale Orientierung innerhalb der Kammer 10 verkippt wird. Die Tischoberseite 50 gestattet, daß die Luftströmung in der Region der Wafer während des Ladens und Entladens laminar verläuft, und zwar bis zu einem Punkt unterhalb der tiefsten Position, die die Wafer einnehmen. Ein direkt oberhalb der Tischoberseite 50 angeordnetes elektrostatisches Filter 54 reinigt auch die Luft um sicherzustellen, daß so wenig wie möglich Verunreinigungen während des Transports der Wafer zur und aus der Kammer 10 aufgenommen werden.

Der Druck der Targetkammer 10 kann während der Luftagitations­ oder Bewegungsphase gesteuert oder kontrolliert werden, und zwar durch die Steuerung des Lufteingangsdrucks durch einen programmierbaren Regulator 40 und das Ausmaß der Offnung des Ablaßventils 30 und des Vakuumventils 22. In der Praxis hat es sich gezeigt, daß ein Druck von 25 bis 100 torr in der Ablaß­ oder Belüftungsstufe ausgezeichnete Ergebnisse ergibt, wobei aber höhere Drücke ebenfalls effektiv sind und ein Reinigungs­ zyklus einen Bereich von Druckwerten überdecken kann.

Die Folge der Schritte, die Dauer jedes Teils der Folge und die verwendbaren Druckwerte können sämtlich vorprogrammiert werden und somit automatisch und reproduzierbar gemacht werden ohne daß der Benutzer Erfahrung haben muß.

Fig. 3 zeigt eine Reinigungsfolge, die mit beträchtlichem Erfolg verwendet wurde und die Anzahl der Teilchen von größer als 1 Mikrometer auf unterhalb ein Teilchen pro cm² vermin­ derte. Ein Computer-Algorithmus wird beim Schließen der Endstationskammer 10 initiiert, während das Trennventil 16 offen ist und die Implantationsstation unter Vakuum von der Pumpe steht. Der Träger 20 wird in Rotation versetzt und ein 12-Zyklus-Muster aus "Ablaß offen" gefolgt von "Ablaß geschlossen" wird ausgeführt. In dem in Fig. 3 gezeigten Algorithmus wird der Ablaß 15 Sekunden lang offen gehalten, so daß der Druck 100 torr erreichen kann, und er wird dann 15 Sekunden geschlossen, wodurch gestattet wird, daß die Kammer auf ungefähr 0,01 torr evakuiert wird. Nach den 12 Zyklen wird die Scheibenrotation gestoppt und das 12-Zyklus-Muster wird wiederholt.

Die genaue Periode für die Folge der oben beschriebenen Ereignisse ist nicht kritisch. Variationen erscheinen in gleicher Weise effektiv. Beispielsweise kann die Belüftungs­ phase mit vollständig geschlossenem Vakuumventil 22 ausgeführt werden; die Winkelgeschwindigkeit der Scheibe kann geändert werden und mehrere Ablaß- und Evakuier-Öffnungen positioniert an der Kammer 10 können verwendet werden; diese Ablaß- und Vakuum-Öffnungen können in einer solchen Folge oder Sequenz positioniert und betätigt werden, daß das Volumen der Kammer 10 am effektivsten gereinigt wird.

Die beschriebene Position des Vakuum-Pumpen-Ventils und des Ablaßventils ist nicht kritisch. Andere Konstruktionen können in gleicher Weise effektiv sein. Beispielsweise kann ein gesondertes Vakuumventil 22 direkt dem Kammervolumen hinzugefügt sein, so daß die "Vakuum"/Ablaß (Belüft)-Zyklen vom Beschleunigervolumen isoliert oder getrennt sind. Auf diese Weise kann das Beschleunigungsvolumen stets unter hohem Vakuum stehen, während der Evakuier-Ablaß-Zyklus Druckabweichungen vom Hochvakuum zu mehr als dem atmosphärischen Druck haben kann, wenn dies erforderlich ist.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor: Verfahren zur computergesteuerten Reinigung von Teilchen von Oberflächen insbesondere denjenigen von Halbleiter-Wafers, die im Volumen einer Ionenimplantationskammer angeordnet sind, wobei die Reinigung vor der Implantation der elektrisch aktiven Ionen in die Wafer vorgenommen wird. Das Verfahren verwendet eine Wafer-Haltescheibe, die die Halbleiter-Wafer während der Implantation trägt, und zwar wird diese Scheibe dazu verwendet, eine starke Gasturbulenz innerhalb des Endstationsvolumens der Ionenimplantationsvorrichtung zu erzeugen. Dadurch werden die Teilchen von den Innenoberflächen der Endkammer gelöst. Die in der Luft befindlichen Teilchen werden sodann aus dem Kammervolumen durch eine Vakuumpumpe evakuiert. Eine einzige Folge bestehend aus Luftbewegung gefolgt von Spülen und sodann Füllen vermindert die zählbaren Teilchen um eine inkrementale Größe; eine Reihe von solchen Folgen hat die erwünschte asymptotische Reduktion der Teilchenverunreinigung zur Folge.

Claims (9)

1. Verfahren zur Verminderung der teilchenförmigen Verun­ reinigung innerhalb einer Ionenimplantationskammer wobei folgende Schritte vorgesehen sind: Erzeugung einer Turbulenz innerhalb der Ionenimplantationskammer wobei abwechselnd der Luftdruck angehoben und abgesenkt wird, wobei der Absenk­ schritt dadurch ausgeführt wird, daß man Luft und gelöste teilchenförmige Verunreinigungen aus dem Kammerinneren herauspumpt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Turbulenz dadurch erzeugt wird, daß man einen Ionen-Wafer-Trä­ ger durch die Kammer rotiert, wenn der Druck angehoben und abgesenkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß man das Ansteigen des Drucks gestattet durch Belüften der Kammer um den Eintritt gefilterter Luft in die Kammer zu gestatten.

4. Vorrichtung für die Ionenimplantation von Halbleiter-Wafers wobei folgendes vorgesehen ist: Eine Ionenimplantations­ umschließung, eine Ionenquelle um einen Ionenstrahl auf die Ionenimplantationsumschließung zu leiten, ein drehbar gelagerter Wafer-Träger beweglich von einer Position außerhalb der Umschließung, wo die Wafer auf den Träger aufgeladen werden in eine Position innerhalb der Umschließung wo die Wafer durch den Ionenstrahl gedreht oder rotiert werden,
erste Ventilmittel zur Kupplung der Umschließung mit einer Pumpe zum Absenken des Drucks in der Umschließung, zweite Ventilmittel zum Leiten eines Strömungsmittels in die Umschließung,
Antriebsmittel zum Drehen des Wafer-Trägers innerhalb der Umschließung, und
Steuermittel zum abwechselnden Öffnen und Schließen der ersten und zweiten Ventile während die Antriebsmittel betätigt werden um teilchenförmige Verunreinigungen innerhalb der Umschließung zu lockern und diese aus der Umschließung zu entfernen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Filtermittel vorgesehen sind um Teilchen in dem Strömungsmittel zu filtern, welches in die Umschließung durch die zweiten Ventilmittel eintritt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel einen Computer aufweisen der programmiert ist, daß er die Ventile für vorbestimmte Zeitperioden öffnet und schließt.

7. Verfahren zur Verminderung der teilchenförmigen Verun­ reinigung innerhalb einer Ionenimplantationskammer wobei folgende Schritte vorgesehen sind: Erzeugung einer Turbulenz innerhalb der Ionenimplantationskammer wobei abwechselnd die Kammer zur Atmosphäre belüftet wird und Luft und gelockerte Teilchenverunreinigungen aus dem Kammerinneren evakuiert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Turbulenz durch Rotation eines Ionen-Wafer-Trägers durch die Kammer erzeugt wird bevor die Ionenimplantations-Wafer auf dem Träger angeordnet sind.

9. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß die in die Kammer eintretende Luft vor dem Eintreten in die Kammer gefiltert wird.