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Diese Erfindung betrifft im allgemeinen ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Ionenstrahlabtastung, und betrifft
insbesondere eine neue Vorrichtung und Verfahren für eine
schnelle parallele Ionenstrahlabtastung. Die vorliegende
Erfindung erleichtert in einer Anwendung die
Ionenimplantationsbearbeitung von relativ großen Halbleiterwafern mit hoher
Dosisgenauigkeit mit einer relativ kompakten Maschine.
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Ein herkömmlicher Ionenimplanter verwendet zwei
magnetische Ablenkeinrichtungen, um einen parallelen Abtaststrahl in
einer Dimension zu erzeugen. Siehe beispielsweise U.S. Patent
Nr. 4,276,477. Ein Nachteil dieses Lösungsansatzes besteht
darin, daß die Abtastraten niedrig sind, typischerweise in
der Größenordnung von nur einem Hertz. Ferner lenkt bzw.
tastet die herkömmliche Maschine nach der Beschleunigung des
Ionenstrahls ab, und erfordert dadurch relativ große
Ablenkfelder. Es liegt ein Problem in der gleichmäßigen Verteilung des
Strahls bei einem derartigen Ionenstrahlimplanter vor, d. h.
in der Bereitstellung einer räumlich gleichmäßigen Dosis über
einem Halbleiterwafer oder einem anderen Zielobjekt.
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Der Stand der Technik beinhaltet auch Mittelstrom-
Ionenimplanter, welche eine zweidimensionale Abtastung eines
Ionenstrahls mit elektrostatischen Ablenkeinrichtungen
verwenden. Derartige Systeme erzeugen jedoch keinen parallelen
Abtaststrahl, erzeugen die Abtastung nach der Beschleunigung
und erzeugen einen Strahl, dessen Intensität einer
unkontrollierten Schwankung unterworfen ist.
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Ferner ist es in der Herstellung von integrierten
Schaltungen mittels einer Ionenstrahlimplantation eines
Halbleiterwafers bekannt, daß eine genaue und präzise Ionendosierung
des Halbleiters für eine korrekte IC-Funktion wichtig ist.
Eine fehlerhafte Ionenimplantation wird typischerweise nicht
erkannt, bis es für eine Korrektur zu spät ist. Sie macht
deshalb den Wafer oder zumindest Teile davon selbst nach
einer teueren Verarbeitung wertlos.
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US-A-4,494,005 beschreibt eine Vorrichtung zum Erzeugen
eines Abtastionenstrahls gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1. Die vorliegende Erfindung ist durch die Merkmale des
kennzeichnenden Abschnittes von Anspruch 1 gekennzeichnet.
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Demzufolge ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine
verbesserte Ionenimplantationsvorrichtung und ein
diesbezügliches Verfahren bereit zu stellen.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine
Ionenstrahlimplantationsvorrichtung zur Erzielung einer
relativ präzisen und genauen Ionendosierung mit relativ großen
Halbleiterwafern zusätzlich mit einem relativ hohen Durchsatz
bereit zu stellen. Weitere Aufgaben bestehen darin, daß die
Implantationsvorrichtung für die Erzeugung einer relativ
breiten Strahlabtastung geeignet ist, und daß die Komponenten
der Vorrichtung einen relativ niedrigen Energieverbrauch
besitzen und relativ kompakt sind.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der
Bereitstellung von Verbesserungen für eine Vorrichtung für die
Erzeugung eines Abtastionenstrahls. Spezifische Verbesserungen
sind in der Strahlabtastung und Ablenkung, in der
Strahlbeschleunigung, in der Gerätekonfiguration und Kompaktheit, im
Energieverbrauch und in der Strahlsteuerung erwünscht.
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Weitere Aufgaben der Erfindung werden teilweise
offensichtlich sein und werden sich teilweise hierin nachstehend
zeigen.
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Der Ionenstrahl kann ein anfänglich stationäres, d. h.,
zeitlich invariantes, räumliches Profil aufweisen und führt
eine schnelle eindimensionale oszillatorische Bewegung in
einer solchen Weise durch, das (i) Ionentrajektorien in allen
Phasen der Oszillation zu einander parallel bleiben; (ii) die
Amplitude der Oszillation leicht gesteuert wird; und (iii)
die Wellenform der Oszillation leicht gesteuert wird.
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Eine Ionenstrahlabtastvorrichtung kann magnetische
Ionenstrahlablenkeinrichtungen aufweisen, in welchen zwei
sektorförmige Polstücke jeweils beschnitten sind. Das Paar
beschnittener Polstücke ist so angeordnet, daß die Achse
entlang welchem der Ionenstrahl in die Strahlabtasteinrichtung
eintritt, und somit vor der Abtastablenkung, zwischen dem
Punkt im Raum, an welchem jedes Polstück auf einen Punkt
zulaufen würde, wenn es nicht beschnitten wäre, und der nahen
Seite des Abtaststrahls in dem Spalt zwischen den zwei
Polstücken hindurchtritt.
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Insbesondere weist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines
Abtastionenstrahls gemäß diesem Merkmal typischerweise eine
Quelle eines Ionenstrahls auf, welche entlang einer
anfänglichen ausgewählten Achse ausgerichtet ist, und besitzt eine
Abtasteinrichtung zum Ablenken des Ionenstrahls aus dieser
Achse, um einen im wesentlichen ebenen Abtaststrahl zu
erzeugen. Eine magnetische Ablenkeinrichtung zum Ablenken des
Abtastionenstrahls so, daß er parallele oder anderweitig
selektiv ausgerichtete Strahlpfade aufweist, enthält einen
Sektormagneten, welcher wenigstens zwei Polstücke aufweist. Die
Polstücke sind zu einander ausgerichtet und durch einen Spalt
beabstandet, welcher so angeordnet ist, daß der Abtaststrahl
durch den Spalt hindurchtritt. Jedes Polstück weist eine
Eintrittsfläche auf, welche in die Richtung der Quelle weist und
besitzt auf der gegenüberliegenden Seite eine
Austrittsflä
che, und besitzt ferner ein fernes Ende und ein beschnittenes
Ende, das zwischen dem fernen Ende und dem räumlichen Punkt
angeordnet ist, an welchem sich die Austritts- und
Eintrittsflächen schneiden würden, wenn die Polstücke nicht
beschnitten werden. Jedes Polstück weist somit einen Querschnitt in
einer Ebene parallel zu dem Abtaststrahl, und somit parallel
zu dem Spalt in der Form eines beschnittenen dreieckigen
Sektors mit einer minimalen Breite zwischen den Eintritts- und
Austrittsflächen an dem beschnittenen Ende und mit einer
größeren Breite an dem fernen Ende auf. Ferner sind die zwei
Sektormagnetpolstücke mit der Eintrittsfläche von jedem zu
der Ionenstrahlausgangsachse hin gerichtet und mit dem Spalt
zwischen diesen koplanar zu dem Abtaststrahl ausgerichtet.
Die Sektormagnetpolstücke sind ferner für die Aufnahme des
Strahls in dem Spalt zwischen zwei Stellen, welche sich
zwischen den Polstückenden befinden, angeordnet. Ferner tritt
die nicht abgelenkte Strahlachse zwischen dem imaginären
Schnittpunkt der Verlängerungen der Eintritts- und
Austrittsflächen und der einen derartigen Stelle hindurch, welche
näher, d. h., proximal, zu dem beschnittenen Ende des Polstückes
liegt.
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Die magnetische Strahlablenkeinrichtung weist
typischerweise einen Spalt gleichmäßiger Breite auf und hält ein
räumlich gleichmäßiges magnetisches Feld über der Länge des
Spaltes aufrecht.
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Die magnetische Ablenkeinrichtung wird vorteilhafterweise
beispielsweise zum Ablenken der Pfade oder Trajektorien eines
Abtastionenstrahls verwendet, so daß sie zueinander in einem
relativ hohen Maß an Präzision und Genauigkeit verlaufen.
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Gemäß einem weiteren Merkmal einer Ausführungsform der
Erfindung besitzt ein relativ kompakter elektrostatischer
Beschleuniger für einen Abtastionenstrahl eine
Ausgangselektro
de, aus welcher der Strahl aus dem Beschleuniger zu einem
Ziel hin austritt, welche eine ausgedehnte, längliche
schlitzförmige Öffnung hat, durch welche der Strahl
hindurchtritt. Dieser stark nicht-kreisförmige
Beschleunigerdurchtritt weist ein Schlitz-Längen/Weiten-Verhältnis, d. h., ein
Aspektverhältnis bis zu 3 auf, und typischerweise eine
Größenordnung von angenähert 10. Die schlitzförmige
Beschleunigerelektrode unterwirft einen dadurch hindurch tretenden
ebenen Ionenabtaststrahl einem fokussierenden Streifenfeld, das
eine im wesentlichen gleichmäßige Größe und Richtung für alle
Strahltrajektorien in der Abtasthüllkurve aufweist.
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In einer bevorzugten veranschaulichenden
Beschleunigereinrichtung ist die Eintrittselektrode ebenfalls mit einem
Schlitz versehen, welcher in ähnlicher Weise den dadurch
hindurch tretenden Abtaststrahl einem fokussierenden
Streifenfeld unterwirft, das in der Größe und in der Richtung an
allen Stellen entlang der Abtasthüllkurve stark gleichmäßig
ist. Ferner ist jede dazwischen liegende oder zusätzliche
Beschleunigerelektrode bevorzugt ähnlich mit einem länglich
geschlitzten Durchtritt konfiguriert, durch welchen der Strahl
bei dem Durchqueren des Beschleunigers hindurchtritt.
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Wo die Trajektorien des Abtaststrahls parallel sind, d. h.
in einem parallel abgetasteten Strahl, weisen alle Elektroden
in dem Beschleuniger identische längliche schlitzförmige
Öffnungen auf, die zueinander entlang der zentralen Achse des
Abtaststrahles ausgerichtet sind.
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Gemäß einem weiteren Merkmal einer Ausführungsform der
Erfindung weist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines
Abtastionenstrahls mit Strahltrajektorien parallel zu oder
anderweitig selektiv in Bezug auf eine Austrittsachse ausgerichtet
eine hoch kompakte und symmetrische Konfiguration auf. Ein
magnetischer Analysator lenkt den Strahl aus einer
Ionenquel
le über einen ausgewählten Winkel ab und in eine ausgewählte
Richtung, und eine Abtasteinrichtung lenkt selektiv den
Strahl weiter in denselben ausgewählten Richtung ab. Eine
Ablenkeinrichtung biegt die Trajektorien des Abtaststrahls in
die entgegengesetzte Richtung, um die gewünschte endgültige
Abtastung von Trajektorien zu erhalten. Diese
Abtaststrahlerzeugung erfolgt bevorzugt bei einem Strahl mit relativ
niedriger Energie, und der Abtaststrahl wird danach einer
Beschleunigung auf einen gewünschten hohen Energiepegel
unterworfen.
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Ein Merkmal der Erfindung, das insbesondere vorteilhaft
in der Herstellung beispielsweise von integrierten
Schaltungen durch eine Ionenimplantation eines Halbleiterwafers ist,
ist eine Vorrichtung zum Messen des an der Station, wo der
Halbleiterwafer dem Strahl ausgesetzt wird, einfallenden
Ionenstrahls, und zum Steuern der Belichtung, um eine
ausgewählte Ionendosis an jeder Stelle des Zielobjektes mit der
spezifischen Aufgabe der Erzielung einer hoch gleichmäßigen
Dosierung über der gesamten Zieloberfläche.
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Als Hintergrund zu diesem Dosissteuerungsaspekt der
Erfindung umfaßt der Stand der Technik drei Arten von
Ionenimplantern. Einer verwendet einen Ionenstrahl, welcher in
zwei Dimensionen über einen stationären Halbleiterwafer oder
einem anderes mit dem Ionenstrahl zu bestrahlendes
Zielobjekt geführt wird. Ein weiterer verwendet einen Ionenstrahl,
welcher stationär bleibt, und in welchen der Wafer oder das
andere Zielobjekt in zwei Dimensionen bewegt wird, entweder
in rechten Winkeln (x, y) oder polar (r, 0). Der dritte Typ
verwendet ein Hybridsystem, in welchem der Wafer entlang
einer Koordinatenrichtung bewegt wird, während der Ionenstrahl
entlang der anderen Richtung bewegt wird. In jedem von diesen
Typen ist eine Abtastgeschwindigkeit ausreichend schneller
als die andere, so daß ein überlagerungsfreies Muster von
quasiparallelen Linien auf dem Wafer abgelegt wird, d. h., ein
Muster, in welchem jede Spur des Strahls auf dem Ziel zu der
anderen versetzt ist.
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Der erste Implantertyp ist in einem typischen
Mittelstrominstrument verkörpert. Jeweils ein Wafer wird durch
elektrostatisches Abtasten des Ionenstrahls mittels zwei
orthogonalen Paaren von Ablenkplatten oder anderen
Ablenkeinrichtungen implantiert. Die (x) und (y) Abtastfrequenzen sind
üblicherweise zufallsbedingt, oder, falls sie stabilisiert
sind, so angeordnet, daß das Ionenstrahlmuster nicht
gleichmäßig wiederholt wird, d. h. daß keine Lissajous-Figuren
erzeugt werden.
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Die Position des Ionenstrahls zu jedem Zeitpunkt während
des Ionenimplantationsvorgangs ist größtenteils unbekannt.
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Der zweite Typ des Implanters ist einem typischen
Hochstrominstrument verkörpert, welches eine mit einer Öffnung
versehene rotierende Abtastscheibe enthält. Das U.S. Patent
Nr. 3,778,626 (Robert) beschreibt wie eine Gleichmäßigkeit
mit dieser Vorrichtung durch Variieren der radialen
Geschwindigkeit der Scheibe erzielt wird, um die geometrische
Veränderung in der Winkelgeschwindigkeit zu kompensieren, welche
proportional zu (1/R) ist, wobei (R) der Abstand zwischen der
Scheibenachse und der Strahlunterbrechung ist. Das U.S.
Patent Nr. 4,234,797 (Ryding) offenbart die Positionierung
eines Präzisionsabtastschlitzes radial in der Abtastzeile, um
eine Meßwerterfassung (R) zu vermeiden. In weiteren
herkömmlichen Mechanismen, muß der Abtastschlitz in der langsamen
Abtastrichtung sein. Durch die Verwendung von einem oder
mehreren Abtastschlitzen, welche als ein Pseudo-Wafer wirken,
werden in einem hinter der Scheibe montierten Faraday-Becher
gemessene Strahlimpulse verwendet, um die radiale
Geschwin
digkeit kontinuierlich so anzupassen, daß dieselbe Anzahl von
Ionen durch den Schlitz bei allen Werten von (R) hindurch
gelassen wird. Wiederum ist die Strahlposition zu jedem
Zeitpunkt größtenteils unbekannt.
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Beispiele des dritten Implantertyps verwenden einen
Ionenstrahl, der elektrostatisch in einer Richtung abgetastet
wird und auf der Innenseite oder Außenseite einer drehenden
Trommel montierten Zielwafern auftrifft. Alternativ tastet
ein sich langsam veränderndes magnetisches Feld den Strahl
radial quer zu einer geöffneten rotierenden Scheibe ab.
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Im Gegensatz zu diesen früheren Lehren sind gemäß einem
weiteren Merkmal dieser Erfindung eine Vorrichtung und
Prozeduren vorgesehen, um die Position des Strahls auf dem Wafer
oder einem Ziel kontinuierlich zu überwachen oder anderweitig
zu bestimmen, oder wenigstens an mehreren ausgewählten
Zeitpunkten während der Ionenimplantation, und um im wesentlichen
eine Aufzeichnung der Strahlintensität als eine Funktion der
Position im Verlauf der Implantation zu führen. Die
Vorrichtungen und Verfahren können ferner eine unmittelbare
Korrektur der auf dem Wafer oder einem anderen Ziel implantierten
Ionendosis durchführen. Sollte der Bereich der Dosiskorrektur
unzureichend sein, um vollständig Schwankungen während des
normalen Verlaufes einer Implantation zu korrigieren, kann
gemäß der Erfindung ein zusätzlicher Implantationsdurchlauf
aktiviert werden, um im Effekt "die Löcher aufzufüllen", d. h.
die restlichen Dosisdefizite zu korrigieren. Das Verfahren
und die Vorrichtung gemäß der Erfindung machen es ferner
möglich, daß ein Wafer aus dem Implantationsgerät entnommen und
anschließend wieder in dem Instrument angeordnet wird, um die
Implantation des kompletten Wafers oder eines spezifischen
Teils davon zu vervollständigen, anzupassen oder zu
korrigieren.
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Die Merkmale der Dosisgleichmäßigkeitssteuerung dieser
Erfindung können auf jeden von den vorstehend erwähnten drei
allgemeinen Ionenimplantern gemäß den nachstehenden Lehren
angewendet werden. Eine hierin beschriebene bevorzugte
Ausführungsform bezieht sich insbesondere auf ein
Hybridabtastsystem, d. h., auf den dritten vorstehend erwähnten Typ.
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Gemäß einem ersten Aspekt des Dosissteuerungsmerkmals der
Erfindung verwendet die Vorrichtung eine Quelle des
Ionenstrahls, eine Zieloberfläche, welche nur einen
Halbleiterwafer oder eine Vielzahl von Wafern oder ein anderes Zielobjekt
enthalten kann, und ein Element zur Erzeugung einer
Relativbewegung des Ionenstrahls quer zu der Zieloberfläche entlang
zwei Koordinatenrichtungen. Die relative Bewegung in einer
Richtung findet bei einer ersten Geschwindigkeit statt,
welche deutlich größer als die zweite Geschwindigkeit in der
anderen Richtung ist. Diese Verfahrensweise der Erfindung
verwendet auch ein Element zum Erfassen des Ionenstrahlstroms an
periodischen oder anderweitig ausgewählten Intervallen, ein
Element zum Erfassen der Position des Ionenstrahls in Bezug
auf die Zieloberfläche zu dem Zeitpunkt der Strommessung und
ein Element, welches auf den gemessenen Strahlstrom und die
Position reagiert, um die erste Geschwindigkeit und/oder die
zweite Geschwindigkeit und/oder die Position des Ionenstrahls
in Bezug auf die Zieloberfläche so zu steuern, daß jede
Abweichung der Dosis der implantierten Ionen von einem
vorbestimmten gewünschten Wert über die volle Zieloberfläche
reduziert wird.
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Eine bevorzugte Ausführungsform für die
Dosissteuerungsmerkmale der Erfindung wird in Verbindung mit einem
Hybridionenstrahlabtastsystem beschrieben, in welchem eine schnelle
parallele Abtastung eines Ionenstrahls mit einer schnellen
eindimensionalen elektrostatischen Abtasteinrichtung erzielt
wird, und welches in Verbindung mit einer linearen
mechanischen Abtastung oder einem Transport des Zielobjektes
arbeitet. Der Fachmann auf diesem Gebiet wird jedoch erkennen, daß
viele Aspekte der Erfindung vorteilhaft in andere Arten von
Implantern und Strahlabtastvorrichtungen integriert werden
können.
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Eine spezifische Verfahrensweise unter Anwendung des
Dosissteuerungsmerkmals der Erfindung beinhaltet die Messung
des Ionenstrahlstromes an wenigstens mehreren Stellen entlang
dem Zielpfad, welchen der Abtaststrahl überquert. Ein auf den
an jeder Stelle gemessenen Strahlstrom reagierendes
elektrisches Signal wird an das Strahlabtastelement angelegt, um
einen gewählten Ionenstrahlstrom an jeder Stelle entlang dem
Zielpfad zu erhalten. Diese Verfahrensweise der Erfindung
stellt somit ein elektrisches Signal bereit, das auf den
Ionenstrahl und als eine Funktion der Position entlang dem Pfad
des Ionenstrahls reagiert, und wendet dieses Signal zur
Steuerung der Strahlabtastbewegung als eine Funktion der Zeit an,
wenn der Strahl den Abtastpfad überquert, um einen
ausgewählten Strahlstrom an jedem Punkt oder jeder Stelle entlang dem
Pfad zu erhalten. Typischerweise ist die gewünschte
Verteilung ein hoch gleichmäßiger Strom und diese Verfahrensweise
der Erfindung erzielt dieses Resultat mit hoher Genauigkeit
und Präzision.
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Eine bevorzugte Implementation dieser Verfahrensweise
beinhaltet das Abtasten des Ionenstrahls mit einer relativ
schnellen Geschwindigkeit und das Messen des Strahlstroms
entlang dem Abtastpfad während vieler Abtastbewegungen. Die
Strahlmessung kann mittels eines Meßelementes erzielt werden,
welches den Abtastpfad mit einer niedrigen Geschwindigkeit im
Vergleich zu der Abtastgeschwindigkeit zu einem Zeitpunkt
überquert, wenn kein Zielobjekt vorliegt.
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Eine weitere spezifische Nutzung des
Dosissteuerungsmerkmals der Erfindung umfaßt ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Bewegen des Halbleiterwafers oder eines anderen
Zielobjektes quer in Bezug auf den Ionenstrahlabtastpfad, so daß
aufeinander folgende Strahlenabtastvorgänge an
unterschiedlichen benachbarten Stellen auf das Zielobjekt auftreffen. Der
Ionenstrahl wird in ausgewählten Intervallen während der
Überquerung des gesamten Zielobjektes typischerweise mit einer
Häufigkeit von einmal pro Abtastvorgang quer zu dem
Zielobjekt gemessen. Die Position des Zielobjektes relativ zu dem
Strahlabtastpfad bei jeder derartigen Messung wird
aufgezeichnet. Diese Strahlmessung und Positionsinformation werden
angewendet, um aufeinander folgende Sätze von einem oder
mehreren Abtastvorgängen zu steuern, um sicher zu stellen, daß
die aufeinander folgenden Abtastvorgänge in genauer
Abstimmung zu der gewünschten Dosis für dieses Stelle auf dem
Zielobjekt liegen.
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Noch eine weitere Verfahrensweise stellt ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Überwachen der Querbewegung des
Zielobjektes in Bezug auf den Strahlabtastpfad und die
Initialisierung eines Satzes von einem oder mehreren
Strahlabtastungen nur dann bereit, wenn das Zielobjekt mit einem
gewählten Inkrement weiterbewegt wird.
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Das Dosissteuerungsmerkmal der Erfindung stellt somit
eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen des Ionenstrahls,
welchem ein Zielobjekt ausgesetzt ist, sowohl entlang der
Strahlabtastung als auch bei aufeinanderfolgenden Abtastungen
zusammen mit der Überwachung der Strahlposition entlang
beider Abtastkoordinaten bereit. Die Erfindung stellt somit die
Überwachung des Ionenstrahls im wesentlichen an allen Punkten
der Belichtung auf dem Zielobjekt bereit, und die Überwachung
der Strahlposition auf dem Zielobjekt an jedem Punkt der
Mes
sung und die Verwendung dieser Information zum Steuern der
Strahlbewegung entlang allen Abtastkoordinaten, um eine
ausgewählte räumliche Verteilung der Implantationsdosis auf dem
Zielobjekt zu erhalten. Die Verfahrensweise dieser Erfindung
kann ferner das Abtasten eines Ionenstrahls über einem
Zielobjekt in mehrfacher Weise umfassen, um eine ausgewählte
Dosisverteilung zu erzielen, und das Anpassen der Anzahl von
Abtastfolgen, um dieses Ziel mit einer besseren Genauigkeit
zu erreichen.
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Die Praxisumsetzung der vorstehenden Merkmale der
Erfindung ergibt eine Ionenstrahlabtastvorrichtung, welche
ungewöhnlich kompakt ist und einen niedrigen Energieverbrauch für
eine gegebene Endstrahlenergie besitzt. Ferner ist das
Abtastgerät für eine relativ wettbewerbsfähige Fertigung
geeignet. Ferner erzielt das Abtastgerät eine hoch präzise und
genaue Dosierung auf einem abgetasteten Objekt. Die
Praxisumsetzung der Erfindung in der Halbleiterfertigung stellt somit
viele Vorteile bereit, einschließlich der eines verbesserten
Durchsatzes und einer signifikanten Reduzierung von
Fertigungsfehlern.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Für ein vollständigeres Verständnis der Natur und der
Aufgaben der Erfindung wird Bezug auf die nachstehend
detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen genommen,
in welchen:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung eines in Verbindung
mit der Erfindung nützlichen Ionenstrahlabtastsystems ist;
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Fig. 1A einen Elektromagneten gemäß der Erfindung für die
Strahlablenkung für das System von Fig. 1 darstellt;
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Fig. 2 eine bildliche Darstellung der mit einem Schlitz
versehenen Beschleunigungselektroden ist, welche die
Be
schleunigung eines Ionenstrahls nach dem Ablenken
ermöglichen;
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Fig. 2A und 2B einen Aufbau einer in Verbindung mit der
Erfindung nützlichen Beschleunigersäule für einen
Abtaststrahl zeigen;
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Fig. 3 eine schematische Darstellung eines in Verbindung
mit der Erfindung nützlichen Ionenstrahlabtastsystems ist;
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Fig. 3A eine weitere Darstellung ähnlich der von Fig. 3
gemäß weiteren in Verbindung mit der Erfindung nützlichen
Merkmalen zeigt;
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Fig. 4 eine schematische Darstellung eines sich langsam
quer bewegenden Faraday-Detektors ist, welcher Information
liefert, die für eine Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen
Strahlintensität über der Abtastlänge nützlich ist;
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Fig. 5 eine schematische Darstellung von Elementen in
einem System unter Verwendung eines eindimensionalen
Schnellabtaststrahls in Verbindung mit einem langsamen mechanischen
Abtastmechanismus zum Erzielen einer im wesentlichen
gleichmäßigen Bestrahlung einer zwei-dimensionalen Zieloberfläche
ist;
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Fig. 6 eine schematische Blockdarstellung einer
Abtastionenstrahl-Implantationsvorrichtung ist, welche die Merkmale
der Erfindung verkörpert;
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Fig. 7A bis 7F repräsentative Abtastwellenformen
darstellen, welche an die elektrostatischen Ablenkplatten angelegt
werden können, um einen schnellen Abtastvorgang für die
Ausführung der Erfindung zu erzeugen;
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Fig. 8A und 8B schematische Darstellungen der Beziehung
zwischen der Ionenstrahldosis und der Strahlposition in Bezug
auf ein Zielobjekt sind, welche Merkmale der Erfindung
veranschaulichen;
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Fig. 9 eine kombinierte bildliche Blockdarstellung eines
Ionenimplantationssystems gemäß der Erfindung ist; und
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Fig. 10 ein Flußdiagramm ist, welches eine
Ionenstrahlimplantation gemäß einer Anwendung der Merkmale der Erfindung
darstellt.
Beschreibung von dargestellten Ausführungsformen
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In den Zeichnungen und insbesondere in Fig. 1 ist eine
schematische Darstellung von Elementen eines
Ionenstrahlabtastsystems 10 dargestellt, welches sowohl elektrostatische
als auch magnetische Ablenkung von Ionentrajektorien
verwendet. Der Ionenstrahl 12 aus einer (nicht dargestellten)
Quelle tritt zuerst zwischen den elektrostatischen
Ablenkungseinrichtungsplatten 14 und 16 durch, an welche eine
oszillierende Spannungswellenform 18 mit einer relativ hohen Frequenz,
von typischerweise 1000 Hz angelegt ist. Dieses
elektrostatische Ablenkungsfeld bewirkt, daß der Austrittswinkel der
Ionentrajektorien aus den Platten 14, 16 in der in Fig. 1
dargestellten Weise für Pfade 12a, 12b und 12c variiert, welche
den Zeitpunkten 0, T/4 und T/2 entsprechen, wobei T die
Periode der Wellenform 18 ist. Die Trajektorien 12a und 12b
entsprechen wie dargestellt auch den Zeitpunkten T bzw. 3T/4.
Die Ionen in dem abgetasteten Strahl treten anschließend in
ein konstantes gleichmäßiges Magnetfeld 20 mit einer Keilform
ein, dessen Profil so angepaßt ist, daß die Ionen aus diesen
mit allen Trajektorien 12a', 12b' und 12c' parallel
unabhängig von dem ursprünglichen Eintrittswinkel in den Magneten 20
austreten. Jedoch verändert sich die Position der aus dem
Magneten austretenden Ionen rasch mit der Frequenz der
oszillierenden Spannungswellenform 18, die an die Ablenkplatten
14, 16 angelegt ist. Fig. 1 stellt ferner dar, daß der
Ablenkmagnet 20, welcher typischerweise ein Elektromagnet mit
einer Wicklung um die sektorartigen Polstücke ist, wovon
ei
nes dargestellt ist, eine beschnittene dreieckige Form mit
einem nahen beschnittenen Ende 20a, einem breiteren fernen
Ende 20b und einer Eintrittsfläche 20c, welche der
Ablenkeinrichtung zugewandt ist, und eine entgegengesetzte
Austrittsfläche 20d aufweist. Die ursprüngliche Achse 22 des Strahls
12, bei fehlender Abtastablenkung ist als räumlich mit dem
Schnittpunkt 24 der räumlichen Verlängerungen der
abgeschnittenen Eintrittsfläche 20c und der Austrittsfläche 20d
zusammenfallend dargestellt.
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Fig. 1A zeigt ferner Details eines Ablenkmagneten 26,
welcher dem schematisch in Fig. 1 dargestellten Magneten 20
entspricht. Der dargestellte Ablenkmagnet 26 weist ein Paar
sektorartiger Polstücke 28 und 30 mit identischer
beschnittener dreieckiger Form und übereinander ausgerichtet mit einem
Spalt gleichmäßiger Breite dazwischen auf. Jedes
Magnetpolstück weist ein nahes beschnittenes Ende 28a, 30a und ein
weiter entferntes Ende 28b, 30b auf, welche als sich zu dem
beschnittenen Ende hin erstreckend parallel dargestellt sind.
Ferner weist jedes Polstück eine Eintrittsfläche 28c, 30c,
welche sich auf der einen Seite zwischen dem beschnittenen
und dem fernen Ende erstreckt und der Ionenquelle zugewandt
ist, und schräg gegenüberliegend eine Austrittsfläche 28d,
30d auf.
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Fig. 1A veranschaulicht ferner die magnetische
Ablenkeinrichtung 26, welche in Bezug auf die Ionenstrahlquelle so
angeordnet ist, daß die ursprüngliche Achse 34 des nicht
abgelenkten Strahls 32 den Spalt proximal zu den beschnittenen
Polstückenden 28a, 30a passiert. Die Ablenkung des Strahls
durch die Ablenkeinrichtung 36 formt den nicht abgelenkten
Quellenstrahl in einen Abtaststrahl um. Die äußeren
Trajektorien 32a und 32a des Abtaststrahl passieren innerhalb des
Magneten 26 den Spalt zwischen den ersten und zweiten Stellen
38 und 40, welche gemäß Darstellung zwischen den
Polstückenden 28a, 30a und 28b, 30B liegen.
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Die in Fig. 1A dargestellte Ablenkmagnetkonfiguration mit
der Ausgangsstrahlachse 34 näher an der Trajektorie 32a des
nahen Randes des Abtaststrahls als sie in Fig. 1 erscheint -
in welcher die Ausgangsachse 22 außerhalb der Polstücke und
jenseits von den beschnittenen Ende 20A in der Richtung zu
dem Flächenschnittpunkt 24 verläuft - wird für eine
physikalische Kompaktheit und für eine niedrige Ablenkspannung,
d. h., eine DC-Vorspannung zum Verschieben des Strahls aus der
Anfangsachse 34 in die gewünschte Abtasttrajektoriee als
vorteilhaft angesehen.
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Ferner erzeugen die Magnetkonfigurationen von Fig. 1 und
1A, wenn sie mit einer gleichmäßigen Spaltbreite gemäß
Darstellung hergestellt werden, ein hoch gleichmäßiges
magnetisches Feld entlang dem Spalt zwischen den beschnittenen Enden
28a, 30a und den Enden 28b, 30b. Dieses steht in einem
Gegensatz insbesondere zu einem Sektormagneten, bei welchem die
Polstücke nicht wie dargestellt beschnitten sind, sondern
sich im wesentlichen bis zu einem Punkt oder einer ähnlich
schmalen Breite zwischen den Eintritts- und Austrittsflächen
erstrecken, was Feldungleichmäßigkeiten an dem engeren Ende
des Magnets erzeugt.
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In Fig. 2 sind mit Schlitzen versehene
Beschleunigungselektroden 42, 44 zur Durchführung einer
Nachablenkungsbeschleunigung an dem aus dem Ablenkungsmagneten 20 von Fig. 1
austretenden abgetasteten Ionenstrahl mit niedriger Energie,
dargestellt. Eine positive Schlitzelektrode 44 und eine auf
Masse liegende Elektrode 42 erzeugen ein axiales
Beschleunigungsfeld dazwischen, welches die Energie in dem abgetasteten
Ionenstrahl über den Trajektorien 12a", 12b" und 12c" stark
erhöht. Die Beschleunigung der Ionen nach dem Durchqueren der
Abtastfelder ist vorteilhaft, da die Intensität der
elektrostatischen und magnetischen Ablenkungsfelder, welche auf die
Ionen niedriger Energie einwirken, deutlich kleiner ist, als
sie für die Ablenkung nach der Beschleunigung erforderlich
wäre.
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Ferner ist gemäß Fig. 2 jede Elektrode 42, 44 mit einem
Schlitz 42a bzw. 44b versehen, welcher eine gleichmäßige
Breite quer zu der Abtastrichtung 43 des Strahls 12 von Fig.
1 besitzt. Die Länge jedes Schlitzes, gemessen entlang der
Strahlabtastrichtung 43, ist dieselbe für die zwei
dargestellten Elektroden 42, 44, zur Verwendung mit einem
parallelen Abtaststrahl.
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Im Gegensatz zu einem Ionenstrahlbeschleuniger
herkömmlicher Konstruktion mit einer kreisförmigen Öffnung durch jede
Elektrode unterwirft die schlitzförmige Elektrodenöffnung den
Abtastionenstrahl einem streifenförmigen elektrostatischen
Fokussierungsfeld, das denselben Wert über die gesamte Breite
des Abtaststrahls, d. h., entlang der Schlitzlänge besitzt,
und das dieselbe Fokussierungsrichtung, d. h., senkrecht zu
der Abtastrichtung 43 und in der Ebene jeder dargestellten
Elektrode besitzt. Diese Erzielung eines gleichmäßigem
Streifenfeldes in dem Beschleuniger für jede Trajektorie
eines Abtaststrahls ist in einem Instrument zur Erzielung
präziser und genauer Strahltrajektorien wichtig. Ferner
ermöglicht das Vorsehen schlitzförmiger Strahldurchtritte in den
Beschleunigerelektroden eine weitaus kompaktere Konstruktion
als die eines äquivalenten Beschleunigers mit kreisförmigen
Elektrodendurchtritten.
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In dem Ionenstrahlabtastinstrument gemäß Darstellung in
Fig. 1 und 2 weist der Ionenstrahl eine Energie in der
Größenordnung von 35 kV in dem Ablenkungsabschnitt gemäß
Darstellung in Fig. 1 auf und wird auf einen Pegel von 200 kV
durch den Beschleuniger von Fig. 2 beschleunigt. Der
Ionenstrahl weist eine Höhe in der Größenordnung von 6,35 mm (1/4 Inch)
in dem Beschleuniger von Fig. 2, und eine Ablenk- bzw.
Abtastbreite von 254 mm (10 Inch) auf. Der Schlitz der
Beschleunigerelektrode für diese Ausführungsform weist eine
Schlitzbreite von 40,64 mm (1,6 Inch) und eine Schlitzlänge
von 335,6 mm (14 Inch) auf. Somit besitzt der Schlitz in
jeder Beschleunigerelektrode ein
Längen/Breiten-Aspektverhältnis in der Größenordnung von 10, nämlich 8,75 in dieser
Beispielausführungsform. Insbesondere wird die Erfindung
typischerweise mit einem Längen/Breiten-Verhältnis der
Beschleunigerelektrode bis zu 3 ausgeführt.
-
Fig. 2A und 2B veranschaulichen ferner einen bevorzugten
Aufbau eines Beschleunigers für einen parallel abtastenden
Ionenstrahl. Üblicherweise besitzt der Beschleuniger eine
Reihe von Elektroden 46a, 46b, 46c, 46d, 46e und 46f, welche
axial in Reihe und zueinander ausgerichtet sind, und welche
identische Schlitzöffnungen 49a, 49b, 49c, 49d, 49e und 49f
aufweisen, durch welche der parallele Strahl hindurchtritt.
Eine externe Beschleunigerspannungsversorgung 48 ist mit der
Eintrittselektrode 46f verbunden, und zwischen den Elektroden
angeschlossene Widerstände stellen gemäß Darstellung sicher,
daß das Potential an den nachfolgenden Elektroden
proportional zu den Widerstandswerten abfällt, wenn man von der
Eintrittselektrode 46f zu der Austrittselektrode 46a
fortschreitet. Eine Aufeinanderfolge von ringförmigen Gehäusen aus
elektrisch isolierendem Material 50a, 50b, 50c, 50d und 50e
sind in axialer Reihenfolge mit den dazwischen
eingeschlossenen Elektroden gemäß Darstellung zusammengebaut, um die
Beschleunigungssäule mit Öffnungen nur an den axialen Enden für
den Eintritt bzw. den Austritt des Abtaststrahles
auszubilden. Der Beschleuniger kann demzufolge, wenn er mit anderen
Elementen des Implantationsinstrumentes zusammengebaut ist,
von einem externen Vakuumsystem evakuiert werden, um ein
gewünschtes Vakuum darin wie es üblich ist zu erzeugen und
aufrecht zu erhalten.
-
In Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines
optischen Verbundionenstrahlsystems 50 zur Erzeugung von Ionen-
Strahlen mit einer Anzahl von vorteilhaften Eigenschaften
dargestellt. Die Massenauflösung ist größer als 80. Das
System 50 hat die Fähigkeit, den Strahl in einer Dimension mit
Geschwindigkeiten bis zu 1000 Hz abzulenken. Die
Ablenkamplitude und Wellenform können leicht gesteuert werden. Die
physikalische Anordnung ist kompakt. Die Strahlgröße und Form
auf dem Ziel können relativ leicht gesteuert werden.
-
Eine Massenauswahl von Ionen aus einer geeigneten Quelle
52 wird durch einen Analysemagneten 54 und einem
Abbildungsschlitz 56 erzielt. Der analysierte Strahl 58a wird mit
magnetischen Quadrupollinsen 62 und 64 fokussiert, welche die
Steuerung der Größe und Form des abgelenkten Strahls 58 auf
ein Ziel 64 ermöglichen. Der fokussierte Strahl tritt in die
Ablenkplatten 66 zum Ablenken ein und durchquert anschließend
eine magnetische Ablenkeinrichtung 72 wie es vorstehend unter
Bezugnahme auf die Fig. 1 und 1A beschrieben wurde, und
durchquert anschließend eine Beschleunigersäule 68, welche
die geschlitzten Elektroden enthält, wie es unter Bezugnahme
auf Fig. 2, 2A und 2B beschrieben wurde. Ein
Hochspannungskäfig 70 umgibt die Quelle 52, den Analysemagneten 54 und den
Abbildungsschlitz 56, die Fokussierungsmagnete 62 und 64, die
Ablenkplatten 66 und die magnetische Ablenkeinrichtung 72.
Ferner halten, wie es in einem Gerät dieses Typs üblich ist,
Vakuumkammern und ein (nicht dargestelltes)
Vakuumpumpensystem den gesamten Pfad des Strahls 58 von der Quelle 52 bis
einschließlich dem Ziel 64 auf einem gewählten hohen Vakuum.
-
Fig. 3A stellt ein weiteres Ionenstrahlimplantersystem
50' ähnlich dem System 50 von Fig. 3 und mit einer Quelle 52'
mit einem Ionenstrahl 58' bereit. Von der Quelle 52' aus,
passiert der Strahl 58' einen Analysemagneten 54', einen
Auflösungsschlitz 56', ein magnetisches Quadrupoldublett-
Fokussierungssubsystem 62'-64', eine elektrostatische
Ablenkeinrichtung 66' und eine magnetische Ablenkeinrichtung 72',
welche typischerweise eine Dipolmagnetstruktur aufweist. Die
Ablenkeinrichtung 72' kann die Struktur der Fig. 1 und 1A
verwenden, oder kann die in der gleichzeitig anhängigen und
gemeinsam erteilten U.S. Anmeldung für das Patent mit der
Ser. Nr. 899,966, eingereicht am 25. August 1986 (WO-A-88/01 731),
deren Offenbarung hierin beinhaltet ist, offenbarte
Struktur verwenden. Die vorstehenden Elemente des Systems 50'
liegen innerhalb des Hochspannungskäfigs 70', der sich auf
einem elektrostatischen Potential befindet, welches die
Hochspannungsversorgung 74 typischerweise auf bis zu einigen
Hundert kV über Massenpotential hält. Das System besitzt
ebenfalls eine Vakuumpumpe 76 und ein bei 78 dargestelltes
Vakuumgehäuse, welches eine vakuumdichte Kammer bereit stellt,
innerhalb welcher der Strahl 58 von der Quelle 52' zu einem
Ziel 64' innerhalb der vakuumdichten Endstation 80 verläuft.
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Ferner enthält gemäß Fig. 3A, das dargestellte System 50'
eine Beschleunigungssäule 68' des vorstehend unter Bezugnahme
auf die Fig. 2, 2A und 2B beschriebenen Typs, und von dort
aus geht der Ablenkstrahl 58C in die Endstation 80 über, in
welcher ein Halbleiterwafer oder ein anderes Ziel 64' für die
Bestrahlung durch den Strahl angeordnet sein kann.
-
Der dargestellte Analysemagnet 54' erzwingt eine
Veränderung in dem Pfad des Ionenstrahls 58 in Bezug auf den Pfad
des Strahls, wenn dieser die Quelle 52' verläßt, von etwas
größer als 90 Grad. Ferner erfolgt diese Biegung des Pfades
in derselben Richtung, z. B. im Uhrzeigersinn in Fig. 3A, wie
die Strahlablenkung, welche der Scanner 66' erzwingt. Die
weitere Ablenkung durch die Ablenkeinrichtung 72', um zu
bewirken, daß der Ablenkstrahl parallele Trajektorien aufweist,
erfolgt in der entgegengesetzten Richtung, d. h., gegen den
Uhrzeigersinn. Mit dieser Anordnung ist der Abtaststrahl
nicht auf der einen Seite des Systems 50 angeordnet wie in
dem Falle der Implementation von Fig. 3, sondern statt dessen
in der Mitte des Systems, wie es auf der rechten Seite von
Fig. 3A dargestellt ist.
-
Diese Angabe der relativen Anordnung des Abtaststrahls,
wenn dieser aus dem Implanter zu einem Ziel in den Fig. 3 und
3A austritt, entspricht praktischen Implementationen, und die
in Fig. 3A dargestellte Konfiguration wird für vorteilhaft
und für bevorzugbar gehalten. Ein Vorteil der Anordnung und
geometrischen Beziehung von Fig. 3A besteht darin, daß die
Entstation 80, in welcher das Ziel 64 angeordnet ist, in der
Mitte des Hochspannungsgehäuses 70' sein kann, d. h. in der
Mitte zwischen der Oberseite und dem Boden der
Draufsichtansicht, wie sie in Fig. 3A erscheint, statt an dem einen
äußeren Ende, wie es in Fig. 3 sichtbar ist. Das System 50' in
Fig. 3A erzielt diese geometrische Kompakt und Symmetrie
teilweise durch die Verwendung eines Analysemagneten 54',
welcher, wie festgestellt, eine etwas größere als 90 Grad
Veränderung in dem Pfad des Ionenstrahls verleiht. In einem
veranschaulichenden speziellen Falle verleiht der
Analysemagnet 54 von Fig. 3 im wesentlichen eine 90 Grad Veränderung
in dem Strahlenpfad, während der Magnet 54' in Fig. 3A eine
Veränderung von 100 Grad verleiht. Der zusätzliche
Ablenkungswinkel durch die Abtastablenkungseinrichtung 66' in
Bezug auf den Analysemagneten 54', wobei beide beispielsweise
Ablenkungen im Uhrzeigersinn sind, ist ein weiteres Element
zum Erzielen der physikalisch kompakten und symmetrischen
Konfiguration des Systems 50', wie es in Fig. 3A erscheint.
Ferner reduziert der zusätzliche Ablenkungswinkel die für die
Abtastspannung der Platten 66' von Fig. 3A erforderliche DC-
Vorspannung in Bezug auf die Platten 66 von Fig. 3.
-
In Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines sich
langsam bewegenden Faraday-Detektors dargestellt, um ein in
der Steuerung der Strahlenintensität verwendbares Signal zu
erzeugen. Eine Faraday- oder andere Ionenstrahlmeßvorrichtung
82 wird langsam durch den abgelenkten Ionenstrahl 12 gemäß
Erzeugung in Fig. 1 und der nachfolgenden Beschleunigung
durch eine mit Schlitzen versehene Beschleunigungssäule 68 in
Fig. 3 bewegt. Der Faraday-Detektor 82 wird langsam in
derselben Richtung wie die Strahlablenkung bewegt, und der
integrierte Strahlstrom oder die Dosis wird als eine Funktion
der Position des Faraday-Detektors 82 gemessen, um ein Signal
zu erzeugen, das die Ionenstrahlintensität als eine Funktion
der Position repräsentiert. Dieses Signal kann dazu verwendet
werden, die Wellenform 18 der oszillatorischen Spannung (Fig.
1) an den elektrostatischen Ablenkungsplatten 14 bis 16 von
Fig. 1 so anzupassen, daß die integrierte Strahlintensität
über die gesamte Abtastlänge gleichmäßig ist.
-
Es werde angenommen, daß die Spannungswellenform eine
Ionenstrahlabtastgeschwindigkeit S(x) an jedem Punkt in der
Zielebene erzeugt, wobei (x) die Abtastrichtung ist. Wenn der
gemessene Strom an dem Punkt (x)x gleich i(x) ist, und der
gewünschte Strom gleich (i&sub0;) ist, (was einer gewissen
gewünschten Dosis (d&sub0;) entspricht), ist dann die erforderliche
Abtastgeschwindigkeit gleich
-
S'(x) = S(x)·i(x)/i&sub0; (Gl. 1)
-
Die Abtastgeschwindigkeit steht in direktem Zusammenhang
zu dem Gradienten (dV/dt) der Spannungswellenform, so daß
durch eine punktweise Korrektur von dV/dt über der
abgetaste
ten Länge dieselbe gleichmäßige Dosis (D&sub0;) für alle Werte von
(x) beibehalten wird.
-
Der Nutzen dieses Verfahrens ist eine Folge des Bedarfs,
eine gleichmäßige Dosis für eine Halbleiterionenimplantation
über einen weiten Bereich von Ionenarten und Energien zu
erzeugen. Das Abtastgeschwindigkeitsprofil S(x), das für einen
gegebenen Satz von Betriebsparametern erforderlich ist, kann
aufgrund von Veränderungen im Strahldurchmesser oder von
Nicht-Lineariäten in magnetischen oder elektrostatischen
Ablenkeinrichtungen nicht ohne weiteres theoretisch
vorhersagbare Art variieren. Die Fähigkeit, diese Veränderungen rasch
zu messen und zu kompensieren, wie es Fig. 4 darstellt, ist
ein erheblicher Vorteil. Spezifische Vorrichtungen zum
Implementieren dieser Verfahren sind im Fachgebiet bekannt und
werden deshalb hier nicht im Detail beschrieben.
-
In Fig. 5 ist eine schematische Darstellung der
Hinzufügung einer mechanischen Verschiebungseinrichtung zum
langsamen mechanischen Bewegen bzw. Abtasten eines Zieles in einer
Richtung quer zu der Richtung des schnell abtastenden
Ionenstrahls für die Erzeugung einer gleichförmigen Bestrahlung
einer zwei-dimensionalen Zieloberfläche gezeigt. Ein Ziel 84
wird mechanisch mit einer Geschwindigkeit (v) in einer
Richtung orthogonal zu der Ionenstrahlabtastrichtung bewegt. Der
Strahl wird an einem Ende des abgetasteten Bereichs durch
einen feststehenden Faraday-Detektor 86 mit einem
Eintrittsschlitz der Breite (s) abgetastet. Wenn eine gleichförmige
Dosis d&sub0; pro Durchlauf über die gesamte Zieloberfläche
erforderlich ist, sollte die Geschwindigkeit der mechanischen
Abtastung gleich
-
V(y) = iF(y)/2sd&sub0; (Gl. 2)
-
sein, wobei iF(y) der in Sekundenbruchteilen gemessene
mittlere Strom in dem Faraday-Detektor 86 ist. Die
Abtastge
schwindigkeit wird kontinuierlich durch einen geeigneten
Steuermechanismus aktualisiert, und somit eine gleichmäßige
Dosis trotz langsamer Driften in der Größe des Strahlstroms
sichergestellt. Der spezifische Steuermechanismus für die
Aktualisierung der Abtastgeschwindigkeit ist ebenfalls im
Fachgebiet bekannt und wird hier nicht im Detail beschrieben.
-
Die bildliche schematische Darstellung von Fig. 6 stellt
ein Abtaststrahl-Ionenimplantationssystem 90 dar, welches die
Belichtung eines Zielobjektes durch einem Ionenstrahl
zumindest an bestimmten Zeitpunkten oder Positionen während des
Implantationsprozesses - und bevorzugt im wesentlichen sowohl
zeitlich und räumlich kontinuierlich - steuert, um ein
gleichmäßiges oder anderweitig gewähltes Dosisprofil über der
gesamten Zieloberfläche zu erzielen. Das dargestellte System
90 erzeugt diese Funktion und das Ergebnis wenigstens
teilweise durch eine Kompensation der
Ionenstrahlstromschwankungen durch eine Veränderung der Zeit, in welcher der Strahl
auf das Ziel auf trifft.
-
In dem dargestellten System 90 leitet eine Ionenquelle 92
einen Ionenstrahl 94 zu einem Ablenkungselement 96, das den
Ionenstrahl ablenkt, so daß er vorwärts und rückwärts entlang
eines Abtastpfades 98 läuft, welcher die Zieloberfläche 100
überquert. Das Ablenkelement, welches bevorzugt eine
elektrostatische Abtastung und magnetische Ablenkung verwendet,
erzeugt einen ebenen Abtaststrahl 102 mit parallelen
Trajektorien. Die Abtasttrajektorien reichen beispielsweise von einer
äußersten Anfangsposition 102a - die einem
Ablenkungspotential von V&sub0; gemäß Darstellung entsprechen kann und entlang
welchen der Strahl an dem Strahlstopper 104 an einem Ende des
Abtastpfades 98 abgefangen wird - bis zu einer weiteren
äußersten Position 102d. Die letztere Trajektorie schneidet und
definiert das andere Ende des Abtastpfades 98 und liegt
au
ßerhalb der Zieloberfläche 100 und außerhalb eines Faraday-
Stromdetektors 106. Der dargestellte Detektor 106 ist
angrenzend an die Zieloberfläche 105 angeordnet, und weist einen
Schlitz mit der Breite (s) gemessen entlang des Abtastpfades
98 auf.
-
Somit gibt es eine Spannung (V&sub0;) (möglicherweise 0 Volt)
über den Ablenkplatten des Ablenkelementes 96, welche eine
Abtaststrahltrajektorie 102a erzeugt, welche auf den
Strahlstopper 104 auftrifft, und in welchen keine Strahlionen die
Zieloberfläche treffen. Als Reaktion auf Ablenkspannungen
zwischen (V&sub1;) und (V&sub3;) erzeugt das Ablenkungselement 96 den
Strahl 102 mit Trajektorien, welche progressiv über die
Zieloberfläche 100 entlang dem Zielpfad 98 wandern, und sich über
die Zieloberfläche hinaus erstrecken, so daß sie die Öffnung
des Faraday-Detektors 106 quer überstreichen.
-
Als Reaktion auf jede Überstreichung des Ionenstrahls 102
erzeugt der Detektor 106 einen Stromimpuls, welcher durch ein
Zeitintegral proportional zu der Ionenstromdichte in diesem
Abtastvorgang gekennzeichnet ist. Dieses Zeitintegral des
erfaßten Stromes wird als ein Rückkopplungssignal verwendet,
welches an eine Dosissteuerung 118 angelegt wird, um den
Betrieb des Ablenkelementes 96 zu steuern.
-
Das System 90 von Fig. 6 ist ferner mit einer
Verschiebungsantriebseinrichtung 108, die beispielsweise mittels
einer Welle mit einer Zieltransporteinrichtung 110 verbunden
ist, auf welcher ein Zielobjekt 112 wie z. B. ein
Halbleiterwafer montiert sein kann, dargestellt. Die
Verschiebungsantriebseinrichtung 108 ist so betreibbar, daß sie die
Zieltransporteinrichtung 110 in der Richtung quer zu dem
Abtastpfad 98, d. h., in der durch den Pfeil 114 dargestellten
Richtung von einer (nicht dargestellten) Position aus, in welcher
die Zieloberfläche 100 vollständig von dem Abtastpfad 98
ent
fernt ist, welche beispielsweise darunter liegt, zu einer
weiteren Position bewegt, in welcher sich die Zieloberfläche
vollständig auf der anderen Seite, d. h. oberhalb des
Abtastpfades 98, befindet. Ein Positionssensor 116 ist mit der
Zieltransporteinrichtung 110 verbunden, um die Position der
Zieltransporteinrichtung 110 und dementsprechend des
Zielobjektes 112 entlang der Verschiebungsachse des Pfeils 114 zu
überwachen. Der Sensor erzeugt ein Zielpositionssignal als
eine Funktion der Zeit, welches an die Dosissteuerung 118 für
eine weitere Steuerung der Ionenimplantationsdosis auf das
Zielobjekt angelegt wird. Die dargestellte Dosissteuerung 118
ist ferner mit der Verschiebungsantriebseinrichtung 108
verbunden.
-
Die Fig. 7A bis 7F stellen graphische Darstellungen
verschiedener Abtastspannungswellenformen jeweils als eine
Funktion der Zeit dar, welche an die elektrostatischen
Ablenkplatten in dem Ablenkelement 96 des Systems 90 von Fig. 6
angelegt werden können, um den Einfallsstrahl 94 so abzulenken,
daß er den ebenen Ablenkstrahl 102 erzeugt. Die Frequenz
jeder Ablenkwellenform ist bevorzugt ausreichend hoch, z. B.
1000 Hz, daß der Strahl über dem Pfad 98 mit einer relativ
raschen ersten Abtastgeschwindigkeit deutlich höher als mit
der zweiten Abtastgeschwindigkeit, mit welcher die
Verschiebungsantriebseinrichtung 108 mechanisch die
Zieltransporteinrichtung 110 verschiebt, abtastet. Diese letztere zweite
Abtastbewegung in dem dargestellten System 90 ist senkrecht zu
den Trajektorien des Abtaststrahls 102 wie es Fig. 6
darstellt, und ist orthogonal zu dem Pfad 98 entlang welchem der
Ionenstrahl abtastet.
-
Die in Fig. 7A dargestellte Ablenkungswellenform bewirkt,
daß der Abtaststrahl 102 quer über die Zieloberfläche 100
gleichmäßig in einer Richtung und dann in der
Rückwärtsrich
tung in einem Zeitintervall (t) verläuft. Der Abtaststrahl
bleibt dann im wesentlichen bei der Trajektorie 102a
stationär und wird auf den Strahlstopper bis zu einem weiteren
Zeitpunkt (T) gerichtet. Somit verbleibt für das
Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten (t) und (T) die Ablenkspannung
bei dem Wert (V&sub0;), so daß der Abtaststrahl 102 nicht auf die
Zieloberfläche 100 auftrifft und statt dessen auf den
Strahlstopper 104 auftrifft. Die durch diese einfache Vorwärts- und
Rückwärtsabtastung an die Zieloberfläche 100 gelieferte
lineare Ionendichte (h) kann durch die Gleichung:
-
K = kit (Gl. 3)
-
dargestellt werden, wobei (i) der von dem
Faraday-Stromdetektor 104 in dem Verlauf einer einzelnen Abtastung entlang
dem Pfad 98 gemessene Strom ist, und
-
(k) eine Konstante ist, welche von der Geometrie der
Vorrichtung abhängt.
-
Wenn die gewünschte Dosis pro Abtastung gleich (h&sub0;) ist,
und das stromabhängige Signal, welches die Dosissteuerung 118
von dem Stromdetektor 106 empfängt anzeigt, daß der
Strahlstrom so ist, daß eine größere oder kleinere Dosis (h)
aufgebracht wird, reagiert die Dosissteuerung so, daß sie die
Abweichung von der gewünschten Dosis verringert, wenn nicht
vollständig kompensiert. Insbesondere verändert die
Steuerung, d. h., verkleinert oder vergrößert die von dem
Ablenkelement 96 erzeugte Abtastablenkungsrate so, daß die
Abtastzeit bei der nächsten Abtastung des Strahls gleich (t') ist,
wobei:
-
t' = th&sub0;/h (Gl. 4)
-
ist. Das System 90 von Fig. 6 verändert somit die schnelle
Abtastzeit auf diese Weise für jede Strahlabtastung oder für
jeden von einem ausgewählten Satz von einem oder mehreren
Ab
tastungen, um Veränderungen in dem Strahlstrom während des
Verlaufs der langsamen Abtastung des Strahls quer zu der
Zieloberfläche zu kompensieren, d. h., während der
Zielverschiebung in der Richtung des Pfeils 114. Gemäß weiterer
Bezugnahme auf die Fig. 6 und 7A bleibt der Zeitpunkt (T) für
den Beginn jeder Strahlabtastung bevorzugt unverändert, um
ein gegebenes Inkrement einer Ionenstrahlüberlagerung auf dem
Zielobjekt während aufeinanderfolgender Abtastungen
beizubehalten, wenn sich das Objekt mit konstanter Geschwindigkeit
verschiebt. Wenn die Geschwindigkeit der mechanischen
Verschiebung der Zieltransportvorrichtung 110 entlang der
mechanischen Verschiebungsrichtung konstant und gleich (v&sub0;) ist,
kann die in Gleichung 4 beschriebene schnelle
Strahlabtastzeitkorrektur mit einer konstanten Erholungszeit (T&sub0;)
auftreten, welche einem konstanten Wiederholungsabstand des
Zielobjektes 112 entlang der Richtung 114 gleich:
-
v&sub0;T&sub0; (Gl. 5)
-
entspricht.
-
Das System 90 kann auch Veränderungen in der mechanischen
Abtastgeschwindigkeit kompensieren, indem eine Abtastdauer
-
t' = td&sub0;v/dv&sub0; (Gl. 6)
-
festgelegt wird,
-
wobei:
-
(v) die gemessene Verschiebungsgeschwindigkeit der
Zieltransporteinrichtung 110 in der Richtung des Pfeils 114 ist,
und
-
v&sub0; die gewünschte konstante Verschiebungsgeschwindigkeit
ist.
-
Alternativ kann die Dosissteuerung 118 den
Wiederholungszeitpunkt (T) variieren, um Änderungen in der
Verschiebungs
geschwindigkeit (v) zu kompensieren. Dieses kann erreicht
werden, indem der Start jeder Abtastung des Ionenstrahls
jedes Mal initialisiert, d. h. ausgelöst wird, wenn die
Zieltransporteinrichtung 110 eine inkrementale
Verschiebungsbewegung über einen konstanten Abstand v&sub0;T&sub0; abgeschlossen hat. Im
Falle, daß sich die Verschiebungsgeschwindigkeit auf einen
unterschiedlichen Wert v verändert, kann die Dosissteuerung
118 die nächste Strahlabtastung so auslösen, daß sie zu einem
Wiederholungszeitpunkt (T) in der Weise auftritt, daß
-
vT = v&sub0;T&sub0; (Gl. 7)
-
ist.
-
Fig. 7B bis 7F stellen graphisch alternative Wellenformen
für die Ionenstrahlablenkung durch das Ablenkungselement 96
dar. Fig. 7B stellt drei Vorwärts- und Rückwärtsabtastungen
dar, wobei eine Integration nach allen drei Abtastungen
erfolgt, und vor der Ausführung einer Kompensationsoperation,
wie sie vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 7A beschrieben
wurde. Fig. 7C stellt eine lineare Abtastung dar, welche nur
in einer Richtung über dem Abtastpfad 98 erfolgt, gefolgt von
einem schnellen im wesentlichen sofortigen Rücklauf auf die
Startspannung (V&sub0;) und mit einer Integration, welche nach
jeder einseitigen linearen Abtastung erfolgt. Fig. 7D stellt im
wesentlichen die Wellenform von Fig. 7C mit dem Zusatz eines
überlagerten Schrittes dar, um den Strahl 102 rasch von der
Position außerhalb des Ziels, d. h. von Trajektorie 102a zu
der Anfangskante der Zieloberfläche 100 zu bringen. Fig. 7E
stellt eine Wellenform dar, welche im wesentlichen die
Umkehrung von der in Fig. 7A dargestellten ist, und in welcher
sich der Strahlstopper 104 auf der Seite der Zieloberfläche
100 befindet, so daß die Spannung (V&sub0;) die an das
Abtastelement 96 angelegte größte Abtastspannung ist. Fig. 7F stellt
eine nichtlineare Abtastwellenform dar, welche vorteilhaft
dazu genutzt werden kann, um andere Nicht-Linearitäten in dem
optischen Ionensystem zu kompensieren, wie z. B. die
Spannungs/Ablenkungswinkel-Kennlinie der elektrostatischen
Ablenkungsplatten in dem Ablenkungselement 96.
-
Fig. 8A und 8B stellen zusammen die Kompensation der
Gesamtionendosis auf einem Zielobjekt durch eine (N)-malige
Querbewegung des Zielobjektes quer zu dem Abtastpfad des
Systems 90 von Fig. 6 dar. Diese Verfahrensweise der Erfindung
umfaßt bevorzugt die Messung der Verschiebungsposition als
eine Funktion der Zeit während des Implantationsvorgangs, und
die Verwendung eines Speicherelementes, um die akkumulierte
Ionendosis (D) an aufeinanderfolgenden
Verschiebungspositionen des Zielobjektes zu speichern.
-
Das System 90 gemäß vorstehender Beschreibung kann das
Abastintervall (d) zur Kompensation kleiner Veränderungen in
dem Ionenstrahlstrom anpassen. Wenn jedoch eine Verringerung
des Ionenstrahlstroms (i) so ist, daß die gewünschte
Zeitdauer (t') von Gleichung 4 größer als die Wiederholzeit (T) ist,
und (T) nicht dementsprechend zunimmt, kann die Kompensation
für die Strahlstromverringerung unvollständig sein. Trotzdem
kann ein Dosissteuersystem gemäß Darstellung in Fig. 6 gemäß
der Erfindung die entsprechende Kompensation erzeugen. Fig.
8A stellt die Zieloberfläche 100 ausgerichtet über einer
graphischen Darstellung der Ionendosis in Fig. 8B als eine
Funktion der Position y quer zu dem Strahlpfad 98 dar, d. h., in
der Richtung der Verschiebungsachse 114 in Fig. 6. Die Dosis,
die jedesmal erzeugt wird, wenn sich die Zieloberfläche 100
in einer Position y = yi befindet, d. h., während jeder von
den (N) Verschiebungsbewegungen des Zielobjektes wird mit dem
Strahldetektor 106 gemessen und der Dosis hinzuaddiert,
welche für alle vorherigen Male, in denen dasselbe Zielobjekt
112 in derselben Verschiebungsposition war, akkumuliert
wur
de. Diese akkumulierte Dosisinformation kann beispielsweise
in einem Rechnerspeicher der Dosissteuerung 108 (Fig. 6)
gespeichert werden. Die Dosisinformation kann an
unterschiedlichen Speicherstellen akkumuliert und gespeichert werden,
welche unterschiedlichen Werten von y entsprechen, wobei die
Schrittgröße oder das y-Inkrement zwischen
aufeinanderfolgenden Messungen und Stellungen gleich (v&sub0;T&sub0;) ist.
-
Das nächste Mal, wenn der Verschiebungsantrieb 108 die
Zieloberfläche 100 in dieselbe Position yi bringt, wird die
schnelle elektrostatische Abtastzeit t so angepaßt, daß die
an der Position yi gelieferte Dosis gleich dem Unterschied
zwischen der erforderlichen Dosis am Ende der momentanen
Verschiebung und der gemessenen akkumulierten Dosis (D) an
dieser (y) Position ist, wie es in Fig. 8B dargestellt ist. Für
den Fall, daß diese Differenz zu groß ist, um innerhalb der
zulässigen Wiederholungszeit (T) der Strahlabtastung
kompensiert zu werden, kann das große Steuerelement 118 die
Kompensation im Verlauf des nächsten Zielverschiebung fortsetzen,
d. h., beim nächsten Mal, wenn sich das Zielobjekt 112 in der
Position (yi) befindet. An dem Ende der ursprünglich für die
Implantationsoperation spezifizierten (N&sub0;)
Verschiebungsbewegungen kann eine weitere Verschiebungsbewegung durchgeführt
werden, wobei t = 0 für einige Zielpositionen ist, d. h. wo
keine weitere Ionendosis erforderlich ist, und wobei die
Bestrahlung nur an denjenigen Verschiebungspositionen auftritt,
d. h., entlang der Achse 114, wo die akkumulierte Gesamtdosis
kleiner als die spezifizierte Enddosis D&sub0; ist. Dieses
Verfahren verbessert sowohl die Dosisgleichmäßigkeit und erlaubt
außerdem die tatsächlich erreichte Gleichmäßigkeit zu
speichern und anzuzeigen.
-
Fig. 9 stellt eine kombinierte Blockdarstellung des
Systems 90 von Fig. 6 mit Komponenten der Dosissteuerung 118
ge
mäß der Erfindung dar. Die Dosissteuerung 118 verwendet gemäß
Darstellung einen Gleichmäßigkeitssteuerrechner 120 zusammen
mit einem Rechnerspeicher 122 und einem Anzeigeterminal oder
gleichartigem Ausgabeelement 124. Fig. 9 stellt die
Ionenquelle 92 und das Ablenkelement 96 von Fig. 6 als nur eine
Abtastionenquelle 92, 96 dar, welche mit einem getrennten
Ablenkungsspannungs-Wellenformgenerator 96a verbunden ist. Der
Positionssender 116 erzeugt ein elektrisches Signal, das die
y-Position repräsentiert, d. h., die Verschiebungsposition
entlang des Pfeils 114 der Waferoberfläche 100. Dieses Signal
wird an den Gleichmäßigkeitssteuerrechner angelegt, und
entweder direkt, wie dargestellt, oder über den Rechner 120 an
den Rechnerspeicher 122. Das dargestellte Anzeigenterminal
124, welches in dem System optional ist, ist mit dem Rechner
120 und mit dem Speicher 122 verbunden und liefert eine
Anzeige der akkumulierten Ionenimplantationsdosis als eine
Funktion der Verschiebungsposition (y).
-
Ferner erzeugt gemäß Fig. 9 der Ionenstrahldetektor 106,
welcher typischerweise einen Stromintegrator enthält, ein
Signal, das auf den integrierten Strahlstrom reagiert und
legt dieses an den Steuerrechner 120 an. In der dargestellten
Anordnung empfängt der Rechner 120 auch von dem
Ablenkgenerator 26A ein Signal, das die Abtastdauerzeit t repräsentiert.
Der Steuerrechner 120 erzeugt ein akkumuliertes Dosissignal,
d. h., entsprechend D = kit. Der Rechnerspeicher 122 kann
dieses Signal für jede Verschiebungsposition speichern, und die
Anzeigeeinheit 124 kann wie angegeben dieses als eine
Funktion der Verschiebungsposition darstellen.
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Der Gleichmäßigkeitssteuerrechner 120 erzeugt ferner ein
angepaßtes Dauersignal (t') gemäß der Gleichung 6 und legt
dieses an den Ablenkgenerator 26a zur Veränderung der
Abtastrate wie vorstehend insbesondere unter Bezugnahme auf Fig. 7A
beschrieben an, um die Differenz zwischen der tatsächlichen
Implantationsdosis und der gewünschten Dosis zu diesem
Zeitpunkt der Implantationsoperation zu verringern. Auf diese
Weise führt das System von Fig. 9 Dosissteueroperationen
durch und arbeitet wie vorstehend insbesondere in Verbindung
mit Fig. 7A und Fig. 8A und 8B beschrieben.
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Ferner enthält gemäß Fig. 9 die dargestellte
Dosissteuerung 118 einen wandernden Strahldetektor 125 wie vorstehend
unter Bezugnahme auf den Detektor 82 in Fig. 4 beschrieben,
welcher mit einer Antriebs- und Positionserfassungseinheit
126 verbunden ist, welche den Wanderdetektor entlang dem Pfad
98 mit einer Geschwindigkeit bewegt, welche relativ langsam
in Bezug zu der Abtastung des Ionenstrahls ist. Die Antriebs-
und Meßeinheit 126 hält den Wanderdetektor 125 in einer
Position außerhalb des Pfades 98 und von dem Pfad der
Zieltransporteinrichtung 110 entfernt, wenn die
Zieltransporteinrichtung so positioniert ist, daß sie das Zielobjekt quer zu dem
Abtastpfad 98 bewegt. Die dargestellte Antriebs- und
Positionseinheit 126 bewegt den Wanderdetektor 125 entlang dem
Abtastpfad nur, wenn die Zieltransporteinrichtung 110
vollständig aus dem Abtastpfad entfernt ist, beispielsweise wenn die
Zieltransporteinrichtung zu einer Lade- oder Transportstation
für die Entfernung eines fertig gestellten Werkstückes oder
zum Laden eines neuen Werkstückes verschoben ist.
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Man beachte, daß das System von Fig. 9 nur einen
Ionenstrahldetektor sowohl für den Wanderdetektor 126 als auch für
den Abtastendedetektor 106 verwenden kann. Zur Verdeutlichung
stellt jedoch Fig. 9 ein System dar, das zwei
Strahldetektoren verwendet. Der Wanderdetektor 125, welcher typischerweise
eine Faraday-Detektor ist, delektiert ein Signal (i), welches
auf das Zeitintegral einer Anzahl von Stromimpulsen reagiert,
wovon jeder erzeugt wird, wenn ein Abtaststrahl 122 über den
Detektor 125 fährt, während dieser sich langsam über den
Zielpfad 98 bewegt. Die Antriebs- und Positionseinheit 196
erzeugt zusätzlich zu der Steuerung der Bewegung des
Wanderdetektors 125 ein Signal (x), welches die Position des
Detektors (125) entlang dem Abtastpfad 98 als eine Funktion der
Zeit angibt. Dieses Positionssignal gibt somit die Lage des
Wanderdetektors 125 im wesentlichen zu jeden Zeitpunkt an, da
dieser sich langsam entlang dem Abtastpfad bewegt und das
Signal somit angibt, an welcher Stelle entlang dem Pfad der
Detektor den Strahlstrom zu einem gegebenen Zeitpunkt mißt.
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Der Ablenkungsspannungs-Wellenformgenerator 96a empfängt
das Stromsignal (i) aus dem Detektor 125 und empfängt das
Positionssignal (x) aus der Antriebs- und
Positionserfassungseinheit 126. Als Antwort auf diese Signale und typischerweise
in Verbindung mit dem Gleichmäßigkeitssteuerrechner 124
erzeugt der Wellenformgenerator 96a eine
Ablenkspannungswellenform, auf die reagierend, die Abtastionenstrahlquelle 92, 96
den Ionenstrahl ablenkt. Der Ablenkgenerator berechnet die
Wellenform, um eine Strahlablenkung zu erzeugen, welche einen
gleichmäßigen Pegel an Ionenstrom an jedem Punkt der
Zieloberfläche oder eine andere ausgewählte räumliche Verteilung
des Stroms entlang dem Ablenkpfad 98 bei jeder schnellen
Ablenkung des Ionenstrahls quer zu dem Pfad erzeugt. Diese
berechnete Ablenkwellenform kann dargestellt werden durch die
Gleichung:
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dV/dt = dV/dt&sub0;·Ix/I&sub0; (Gl. 8)
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wobei I&sub0; der gewünschte ideale Strahlstrom ist. Ix der
Strahlstrom an dem Punkt (x), gemessen durch den Wanderdetektor 125
ist, wenn der Gradient der Ablenkungswellenform dV/dt&sub0; ist,
und dV/dt der berechnete Gradient für die Wellenform ist,
welcher zum Korrigieren der Differenz zwischen Ix und I&sub0;
erforderlich ist.
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Zusammengefaßt kann das Dosisgleichmäßigkeitssteuersystem
der Erfindung gemäß Darstellung in Fig. 9 die
Ablenkungswellenform anpassen und modifizieren, um die
Ionenstrahlabtastung so zu steuern, daß ein gleichmäßiger oder anderweitig
gewählter Strahlstrom auf dem Zielpfad an jedem Punkt entlang
der schnellen Abtastung erhalten wird. Das System kann ferner
die Dauer und dementsprechend die Geschwindigkeit jeder
schnellen Abtastung mit der Anpassung der Zeitdauer (t) zum
Einbringen einer gewählten Ionendosis in ein Zielobjekt mit
jeder Abtastung und ferner in Abhängigkeit von der Position
der Strahlabtastung auf dem Zielobjekt ausgewählt, d. h.,
entlang der Koordinatenrichtung, welche quer zu der
Ionenstrahlablenkrichtung verläuft, anpassen. Das System kann ferner die
relative Zeit (T) anpassen, wenn jede Strahlabtastung
entsprechend der Querabtastung, d. h., der Verschiebung des
Zielobjektes in Bezug auf den Ablenkpfad beginnt. Das System kann
auch die Geschwindigkeit der Querabtastung, d. h., der
Verschiebung steuern und kann die Anzahl der Male auswählen, mit
der ein Zielobjekt quer abgetastet wird, d. h., an dem
Abtastpfad 98 vorbei geführt wird. Auf diese Weise erzeugt das
System eine ausgewählte akkumulierte Ionendosis an jeder
ausgewählten Quer-, d. h. - Verschiebungsposition des Zielobjektes.
Um diese Ergebnisse zu erhalten, enthält die Dosisteuerung
118 von Fig. 6, wie unter Bezugnahme auf Fig. 9 beschrieben,
einen programmierbaren digitalen Rechner zusammen mit einem
Rechnerspeicher und einem Anzeigeterminal. Das System enthält
auch Vorrichtungen zum Erfassen des beispielsweise durch die
Faraday-Detektoren 106 und 125 bereitgestellten
Ionenstrahlstroms, zusammen mit Antriebs- und
Positionserfassungselementen gemäß Darstellung durch den Positionssensor 126 und den
Positionssensor 116, und enthält ferner einen
Ablenkungswellenformgenerator 96a, welcher in Verbindung mit der
Abtastionenquelle arbeitet.
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Das Flußdiagramm von Fig. 10 veranschaulicht einen
Betriebsablauf für eine Ionenstrahlimplantation eines
Halbleiterwafers während der Herstellung einer integrierten
Schaltung gemäß der Erfindung, beispielsweise mit dem System 90
von Fig. 9. Der dargestellte Ablauf, welchen der Fachmann auf
diesem Gebiet mit variierenden Details für spezifische
Implementationen implementieren kann, beginnt mit einer
Initialisierungsoperation 130. Parameter, welche typischerweise
während dieser Operation gesetzt werden, umfassen die gewünschte
gesamte Prozeßdosis für den Halbleiterwafer, die Anzahl der
Waferverschiebungen quer zu dem Abtastpfad, die Nominalwerte
der Auslösezeit (T&sub0;) und der Abtastdauer (t) und die
gewünschte Dosis pro Abtastung für jede Stelle auf dem Wafer
entlang der Achse quer zu der Richtung der Strahlabtastung.
Die Ablauffolge aktualisiert dann die Ablenkungswellenform,
d. h., die Wellenform, welche der Generator 96a an die
Abtastionenquelle 92, 96 bei der Operation 132 anlegt. Diese
Aktualisierungsoperation umfaßt typischerweise mehrere schnelle
Abtastungen des Ionenstrahls über dem Zielpfad 98, während
sich die Zieltransporteinrichtung 110 außerhalb des Weges
befindet und der wandernde Ionendetektor 125 langsam entlang
dem Strahlpfad 98 wandert, um den Ionenstrahl wenigstens an
ausgewählten Stellen entlang dem Strahlpfad und bevorzugt im
wesentlichen kontinuierlich entlang dem Strahlpfad zu messen,
zusammen mit der Erfassung der Wanderdetektorposition mit dem
Antriebs- und Positionssensor 126. Der dargestellte
Betriebsablauf geht dann zu der Operation 133 über, in welcher ein
Wafer in die Zieltransporteinrichtung 110 geladen wird. In
der Operation 134 beginnt die Ablauffolge die Verschiebung
des Wafers in der Richtung quer zu der Strahlablenkung mit
dem Verschiebungsantrieb 108. Während der Waferverschiebung
quer zu dem Abtaststrahlpfad, enthält die dargestellte
Ablauffolge die Schritte der Abtastung des Ionenstrahls über
dem Pfad 98 durch die Operation 138, gleichzeitig mit dem
Messen der Verschiebungsposition mit dem Positionssensor 116
durch die Operation 136.
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Der dargestellte Ablauf beginnt die Strahlabtastung mit
der Operation 138 spätestens zu dem Zeitpunkt, an dem erste
Bereich des zu bestrahlenden Wafers durch den Strahlpfad 98
zu laufen beginnt. Während jeder Abtastung, oder alternativ
einmal für einen ausgewählten Satz von mehreren
Strahlabtastungen wird der Strahlstrom gemessen, Operation 140,
implementiert durch den Faraday-Detektor 106 von Fig. 9. Als
Antwort auf die sich ergebenden Meßwerte des Strahlstroms und
der Verschiebungsposition kann die Ablauffolge, wie durch
Operation 142 dargestellt, die Strahlauslösezeit (T) anpassen,
und die Strahlabtastdauer (t) anpassen.
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Am Ende jeder Abtastung ermittelt die Ablauf folge, ob die
Verschiebung des Wafers über den Strahlpfad 98 vollständig
ist, wie es durch die Entscheidungsoperation 144 dargestellt
wird. Ein negatives Ermittlungsergebnis führt den Ablauf
zurück, um eine weitere Strahlabtastung auszuführen, d. h., um
die Operationen 138, 140 und 142 zu wiederholen, während die
Waferverschiebung und die Positionserfassung der Operationen
134 und 136 fortgesetzt werden. Die dargestellte Ablauf folge
lenkt somit wiederholt den Ionenstrahl über dem Zielobjekt
mit einer Anpassung der Abtastdauer und den
Abtastanfangszeiten bei jedem Satz von einem oder mehreren
aufeinanderfolgenden Strahlabtastungen ab.
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Die dargestellte Ablauffolge kann gleichzeitig eine
weitere Dosissteueroperation durchführen, wie es durch die
Operation 146 dargestellt ist und die Verschiebungsrate
zumindest teilweise als Reaktion auf die Messung der
Verschiebungsposition mit der Operation 136 anpassen. Die
dargestellte Ablauf folge enthält auch eine Operation 148, während
wel
cher die Dosis- und Verschiebungspositionsinformation für
jede Ablenkung gespeichert und die akkumulierte Dosis
dargestellt wird, wie es vorstehend unter Bezugnahme auf die Fig.
8A und 8B beschrieben wurde.
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Als Reaktion auf eine bestätigende Entscheidung aus der
Operation 144, d. h., auf die Ermittlung hin, daß die gesamte
Waferoberfläche bestrahlt worden ist, führt die dargestellte
Ablauffolge eine weitere Entscheidungsoperation 150 durch und
ermittelt, ob die akkumulierte Dosis an allen Punkten der
Waferoberfläche den gewünschten Pegel erreicht hat, d. h.,
ermittelt, ob eine zusätzliche Abtastverschiebung erforderlich
ist. Eine bestätigende Entscheidung bewirkt, daß die
Ablauffolge die Anzahl (N) von Verschiebungsabtastungen anpaßt,
Operation 152, und die Ablauf folge zurück führt, um eine
weitere Waferverschiebung, d. h., die Operation 134 auszuführen.
Eine negative Entscheidung aus der Operation 150 führt die
Ablauf folge zu der Operation 154, wo der
Ionenimplantationsprozeß abgeschlossen ist und der Wafer aus der
Transporteinrichtung entnommen werden kann.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung können auf jeden
von den vorstehend beschriebenen allgemeinen
Ionenimplantertypen angewendet werden. In denjenigen Versionen, in welchen
die langsame Abtastung an Stelle der schnellen Abtastung zur
Steuerung und Manipulation zur Verfügung steht, wird die
Reaktionszeit dementsprechend langsamer, so daß die
angewendeten Verfahren, obwohl sie wirksam sind, weniger schnell in
ihrer Reaktion sind.
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Für elektrostatisch abgetastete Strahlen des ersten Typs
kann ein linearer Faraday-Becher oder eine lineare Anordnung
von Faraday-Bechern entlang des Wafers montiert sein; wobei
eine bevorzugte Ausführungsform darin besteht, den bzw. die
Faraday-Becher senkrecht zu der schnellen Abtastrichtung
an
zuordnen. Zusätzlich wird, um die räumliche Beziehung
zwischen dem Wafer und dem Ionenstrahl zu allen Zeitpunkten zu
kennen, die langsame Abtastung bevorzugt schrittweise über
den Wafer gerastert. In dieser Anordnung können Verfahren, im
wesentlichen identisch zu den vorstehend insbesondere unter
Bezugnahme auf Fig. 6 bis 9 beschriebenen, zur Überwachung
und Steuerung der Dosisgleichmäßigkeit angewendet werden.
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Für mechanisch abgetastete Implanter des zweiten Typs
können Linear- oder Rotationsposition-Kodierer sowohl in den
schnellen als auch in den langsamen Abtastmechanismen
integriert werden, um Signale zu erzeugen, welche die Lage des
Ionenstrahls auf irgend einem speziellen Wafer zu jedem
Zeitpunkt während der Implantation repräsentieren. Die langsame
Abtastrate und/oder die Strahlstromintensität können
kontinuierlich als Reaktion auf die Strommessung wie hierin
vorstehend beschrieben geregelt werden. In dem Falle einer
rotierenden Scheibe kann der Strom durch einen Schlitz in der
Scheibe, durch Schlitze zwischen den Wafern oder durch eine
Montage der Wafer auf Speichen in der Scheibe mit Abständen
dazwischen gemessen werden. Durch Verwenden eines schnellen
Strahltores (bevorzugt elektrostatisch) oder eines
Strahlstrompulsers, kann eine Dosisanomalie, welche erkannt,
aber nicht vollständig während des Verlaufs der Implantation
korrigiert werden kann, anschließend korrigiert werden.
Dieses kann durch Durchführen von einem oder zwei zusätzliche
Durchgänge erreicht werden, in welchen die Kenntnis der Lage
des Strahls auf jedem Wafer und die Verwendung des schnellen
Strahltores kombiniert werden, um nur die gewünschten
Bereiche auf spezifizierten Wafern zu implantieren.
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Bei Hybridimplantern des dritten Typs, welche Trommeln
oder Bänder verwenden, kann ein fester Faraday-Becher auf
einer Seite der Trommel oder des Bandes befestigt werden, um
die elektrostatische oder magnetische Strahlablenkung in
Kombination mit einer rotierenden oder linearen
Positionscodierungsvorrichtung während der mechanischen Bewegung zu
ermöglichen.
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Für Strahlen, welche elektrostatisch oder magnetisch über
einer Scheibe abgelenkt werden, kann ein Schlitz oder
Schlitze in der Scheibe verwendet werden, um die elektrostatische
oder magnetische Abtastwellenform zu steuern, während eine
rotierende Codierungsvorrichtung auf der Scheibe und ein
schnelles Strahltor für eine Anomaliekorrektur wie hierin
bereits beschrieben, verwendet werden können.
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Ausführungsformen der somit beschriebenen Erfindung
stellen Verbesserungen in einem Sektormagnet für
Ionenstrahlablenkung bereit, um besondere Trajektorien in einem
abgelenkten Strahl zu erzielen, welche eine ausgewählte Richtung
besitzen und welche bevorzugt parallel zueinander sind. Es kann
ferner ein Ionenstrahlbeschleuniger bereit gestellt werden,
welcher Elektroden mit einer geschlitzten Öffnung für den
Durchtritt des Ionenstrahls verwendet und eine neue
ionenoptische Gesamtgeometrie für ein Abtastionenstrahlinstrument
zur Verfügung stellt. Die neue Geometrie kombiniert eine
Strahlablenkung in einem Analysator in derselben Richtung wie
die weitere Strahlablenkung für die Abtastung, verbunden mit
einer entgegengesetzten Richtung der Strahlablenkung, um
parallele oder anderweitig selektiv gerichtete Trajektorien in
dem Abtaststrahl zu erzielen.
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Weitere Merkmale von Ausführungsformen der Erfindung
stellen eine Ionenstrahldosissteuerung für eine hohe
Dosispegelgleichförmigkeit bereit. Die Dosisgleichmäßigkeit oder ein
anderes gewähltes Profil kann entlang nur einer Ablenkung des
Strahls quer zu einem Zielobjekt erzielt werden, und getrennt
in aufeinanderfolgenden Sätzen von einen oder mehreren
Ablen
kungen, um ein spezifiziertes Dosisprofil an jedem Punkt
entlang eines vollständigen Satzes von Koordinaten über der
Zieloberfläche zu erzielen. Das Dosissteuerungsmerkmal umfaßt
im wesentlichen eine Zuordnung eines Ionendosispegels an
jedem Punkt auf der Zielobjektoberfläche und enthält somit eine
Messung und Aufzeichnung der Zielposition über die gesamte
Ionenimplantationsoperation.
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In einer Anwendung der Erfindung zur
Ionenstrahlimplantation eines Halbleiterwafers in der Herstellung von
integrierten Schaltungen wird ein Halbleiterwafer mit einem
Durchmesser in der Größenordnung von 200 mm einem Ionenstrahl mit
einer Energie von beispielsweise 200 kV und einem Strahlstrom
in der Größenordnung von 2 mA ausgesetzt. Die Anwendung
erzielt eine Dosisgleichmäßigkeit gut unterhalb 1% Abweichung,
und liegt typischerweise gut unter einem 1/2% Abweichung über
die gesamte Oberfläche des Wafers. Das System lenkt den
Strahl über einen Strahlpfad mit einer Beispielrate von 1000 Hz
ab, transportiert das Ziel in der Verschiebungsrichtung
des Pfeils 114 mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 Hz, und
bewegt einen sich bewegenden Ionendetektor wie z. B. den
Detektor 125 in Fig. 9 über den Strahlpfad in einer Zeit in der
Größenordnung von 5 Sekunden. Ferner besitzt in diesem
veranschaulichenden Beispiel der Ionenstrahl eine Breite entlang
der Querrichtung des Pfeils 114 von etwa 6,35 mm (1/4 Inch
und die Zielobjektverschiebung in dieser Richtung in der Zeit
eines Strahls beträgt etwa 0,25 mm (1/100 Inch). Somit ist
Ionenstrahlbreite in dieser veranschaulichenden
Ausführungsform 25 mal der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden
Strahlspuren, wenn sich das Zielobjekt verschiebt.
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Es ist somit zu sehen, daß diese Erfindung die vorstehend
beschriebenen Aufgaben neben den in der vorstehenden
Beschreibung sichtbar gewordenen effizient löst. Da bestimmte
Änderungen bei der Ausführung des vorstehenden Verfahrens und
in der beschriebenen Konstruktion ohne Abweichung von dem
Schutzumfang der Erfindung durchgeführt werden können, ist
der gesamte in der vorstehenden Beschreibung enthaltene oder
in den beigefügten Zeichnungen dargestellte Inhalt lediglich
als veranschaulichend und nicht in einem einschränkenden
Sinne zu interpretieren.
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Es dürfte sich ferner verstehen, daß die nachstehenden
Ansprüche alle allgemeinen und spezifischen Merkmale der
Erfindung, wie sie hierin beschrieben wurde abdecken sollen, so
wie alle Feststellungen des Schutzumfangs der Erfindung,
welche sprachlich unter diese fallen können.