DE3910054A1

DE3910054A1 - Ion-implantation installation

Info

Publication number: DE3910054A1
Application number: DE19893910054
Authority: DE
Inventors: Eberhard F Prof Dr Krimmel; Klaus Prof Dr Bethge
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-03-28
Filing date: 1989-03-28
Publication date: 1990-10-11

Abstract

Ion implantation of a target (5) with defocused ion beam (71), which covers the whole target cross-section with constant intensity distribution (Fig. 2). The implantation can be carried out, without the target (5) overheating, over the implantation period without being temporarily interrupted. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ionenimplanta tionsanlage mit großflächiger, homogener Ausleuchtung der Targetebene.The present invention relates to an ion implant tion plant with large, homogeneous illumination of the Target plane.

Ionenimplantationsanlagen sind hinlänglich bekannt. Sie dienen insbesondere in der Halbleitertechnik dazu, Ionen in Halbleiter material zu implantieren, um damit sehr genau abzugrenzende und/oder sehr genau zu dosierende Dotierungen zu erreichen. Solche Ionenimplantationsanlagen sind technisch relativ auf wendig. Insbesondere ist dies der Fall für solche Implanta tionsanlagen, die zeitlich konstante Bestrahlung des jeweiligen zu implantierenden Targets gewährleisten. Ein weiteres Problem liegt in der Anwendung von Ionenimplantations anlagen, speziell bei der Bearbeitung von Halbleitermaterial, nämlich daß das Target beim Ionenimplantieren unzuträglich große Erwärmung erfahren kann.Ion implantation systems are well known. They serve especially in semiconductor technology, ions in semiconductors to implant material in order to delineate very accurately and / or to reach very precisely metered dopants. Such ion implantation plants are technically relatively on manoeuvrable. In particular, this is the case for such implant tion systems, the time-constant irradiation of the ensure each target to be implanted. On Another problem is the use of ion implantation systems, especially in the processing of semiconductor material, namely that the target is not beneficial during ion implantation can experience great warming.

Bei konventioneller Anwendung von Ionenimplantation ist es üblich, das Target, z.B. eine Halbleiterscheibe mit einem fokussierten Ionenstrahl abzurastern, nämlich um im Bereich einer vorgegeben abgegrenzten Fläche das darunterliegende Material gleichmäßig mit Ionen zu implantieren.It is with conventional application of ion implantation usual, the target, e.g. a semiconductor wafer with a To focus on focused ion beam, namely in the area a given delimited area the underlying To implant material evenly with ions.

In der Lichtoptik besitzt man beinahe ideal emittierende Lichtquellen und hochkorrigierte Linsensysteme, so daß man bezüglich der Auflösung praktisch die Grenzen erreichen kann bzw. bis an die Grenzen gehen kann, die sich aufgrund der Welleneigenschaft des Lichts als prinzipiell ergeben. In der Optik geladene Teilchen ist dies wegen des Fehlens von Korrekturelementen grundsätzlich anders.In the light optics one has almost ideal emitting Light sources and highly corrected lens systems, so that one in terms of resolution can practically reach the limits or can go to the limits, due to the Wave property of the light as a matter of principle. In the Optics charged particles is this because of the lack of Correction elements fundamentally different.

Fig. 1 zeigt das Prinzip einer bekannten Ionenimplantation. Mit 1 ist die Ionenquelle mit Massenseparator bezeichnet. Fig. 1 shows the principle of a known ion implantation. 1 designates the ion source with mass separator.

Mit 2 ist eine Linse bezeichnet, die mit der sich der Ionen strahl fokussieren läßt. Es ist eine Rastereinheit, ein elektrischer Kondensator oder ein magnetisches Spulensystem vorgesehen, das mit 3 bezeichnet ist und mit dem der an sonsten entlang der optischen Geräteachse 6 verlaufende Ionen strahl 7 abzulenken ist. Die Pfeile 4 zeigen die aufgrund der Ablenkung zu erreichende Verlagerung des Fokus des Ionen strahls 7 richtungsmäßig an. Mit 5 sind Targets, z.B. Halb leiterscheiben, bezeichnet, die mit den Ionen des Strahls 7 zu implantieren sind. 2 with a lens is designated, which can focus with the ion beam. It is provided a raster unit, an electrical capacitor or a magnetic coil system, which is denoted by 3 and with which the otherwise extending along the optical device axis 6 ion beam 7 is deflected. The arrows 4 indicate the due to the deflection to be reached displacement of the focus of the ion beam 7 directionally. With 5 targets are, for example, semi-conductor discs, designated to be implanted with the ions of the beam 7 .

Die im Target beim Ionenimplantieren umgesetzte Ionenenergie führt zur Erwärmung des zu implantierenden Targets 5. Der Grad der Erwärmung ist für das Ionenimplantationsergebnis ent scheidend. Dies trifft insbesondere für Hochstrom-Hochenergie- Ionenimplantationen zu, die in zunehmendem Maße eine wesentliche Rolle spielen. Eine Erwärmung der Halbleiter scheibe des Targets 5 während der Ionenimplantation kann z.B. zu gleichzeitigem, unerwünschtem Ausheilen von Strahlenschäden und von Einwirkungen auf Dotierstoffelemente führen, womit Un gleichmäßigkeiten in der elektrischen Aktivierung der Dotier stoffatome auftreten kann. Mangels geeigneter ionenoptischer Elemente versucht man bis jetzt dieses Problem dadurch zu be herrschen, daß man in einem einzigen Arbeitsgang eine große Anzahl von Targetscheiben 5 anordnet, die gemeinsam durch ein fokussiertes Strahlenbündel 7 entsprechend der Ablenkung 4 ab gerastert werden. Dies erfordert jedoch große, technisch auf wendige Bestrahlungskammern, die sowohl aus vakuumtechnischen Gründen wie aus Gründen der Staubfreiheit nur eine Notlösung darstellen.The ion energy converted in the target during ion implantation leads to heating of the target 5 to be implanted. The degree of heating is crucial for the ion implantation result. This is particularly true for high current, high energy ion implantations, which are increasingly playing an important role. A heating of the semiconductor wafer of the target 5 during the ion implantation may, for example, lead to simultaneous, unwanted healing of radiation damage and effects on dopant elements, with which Un uniformities in the electrical activation of the dopant material atoms can occur. In the absence of suitable ion-optical elements, this problem has been attempted until now by arranging a large number of target disks 5 in a single operation, which are scanned together by a focused beam 7 in accordance with the deflection 4 . However, this requires large, technically manoeuvrable irradiation chambers, which represent both a vacuum-technical reasons as well as for reasons of dust-free only a last resort.

Mit 10 ist eine Kühlunterlage bezeichnet.With 10 a cooling pad is designated.

Die sich aus dem Voranstehenden ergebenden Aufgaben werden gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.The tasks resulting from the foregoing become according to the invention with the features of claim 1 solved.

Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, anstelle der bekanntermaßen verwendeten Vielzahl von Target scheiben 5, die mit einem fokussierten Ionenstrahlbündel abgerastert und gemeinsam implantiert werden, erfindungs gemäß in einem Arbeitsgang jeweils nur eine einzelne Scheibe ganzflächig mit einem defokussierten, feststehenden Ionen strahlbündel mit im wesentlichen bzw. vorzugsweise konstanter Intensität zu bestrahlen.The present invention is based on the idea, instead of the known variety of target discs 5 , which are scanned with a focused ion beam and implanted together, fiction, in one operation each only a single disc over the entire surface with a defocused, fixed beam bundle with essentially or preferably constant intensity to be irradiated.

Fig. 2 zeigt ein Prinzipbild einer zu verwendenden Anordnung. Wiederum ist mit 1 die Ionenquelle mit Massenseparator bezeich net. Desgleichen ist mit 2 die zu verwendende Linse bzw. Elek tronenstrahloptik bezeichnet. Das Ionenstrahlbündel ist in Fig. 2 mit 71 bezeichnet. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, hat dieses Ionenstrahlbündel 71 eine solche Breite A-B bzw. Quer schnittsfläche, daß es die gesamte Fläche der Targetscheibe 5 überdeckt. Fig. 2 shows a schematic diagram of an arrangement to be used. Again, the ion source with mass separator is denoted by 1 net. Likewise, 2 denotes the lens to be used or Elek tronenstrahloptik. The ion beam is designated in Fig. 2 at 71. As can be seen from Fig. 2, this ion beam 71 has such a width AB or cross-sectional area that it covers the entire surface of the target disk 5 .

Mit der vorliegenden Erfindung läßt sich eine solche Ionen implantation durchführen, deren Ergebnis hinsichtlich der Implantation gleich der Ionenimplantation nach Fig. 1 ist, bei der aber ansonsten wesentliche Vorteile erzielt werden. Anders als beim konventionellen Abrastern mit zwangsweise verbundenem Einschalten und Abschalten des Ionenstrahls treten bei der Erfindung keine solchen lokalen Unterschiede bzw. Sprünge der lokalen Dosiswerte auf, wie dies nach konventioneller Technik der Fig. 1 praktisch unvermeidlich ist. Eine Ionenimplantationsanlage der Art nach Fig. 2 ist hinsichtlich der Elektronik wesentlich weniger aufwendig, weniger störanfällig und einfacher zu bedienen. Bei einer großflächig bestrahlten einzelnen Targetscheibe 5 kann die freigesetzte Ionenenergie mittels allgemein bekannter, ein facher technischer Maßnahmen abgeführt und damit die Er wärmung der Targetscheibe 5 gering gehalten werden. Beim erfindungsgemäßen Implantieren einer Einzelscheibe können be vorzugt vakuumtechnisch einfach konstruierte, wenig störan fällige Strahlungskammern verwendet werden, die zum Stand der Technik vergleichsweise wesentlich kleineres Volumen haben können. Das Beladen und Entladen einer solchen Bestrahlungs kammer kann über eine Eingangs- bzw. Ausgangsschleuse mittels eines Magazinsystems durchgeführt werden, und zwar im linearen Durchlaufverfahren.With the present invention, such an ion implantation can be performed, the result of the implantation is the same as the ion implantation of FIG. 1, but otherwise significant advantages are achieved. In contrast to conventional scanning with forced connection and disconnection of the ion beam, no such local differences or jumps in the local dose values occur in the invention, as is virtually unavoidable according to the conventional technique of FIG . An ion implantation system of the type shown in FIG. 2 is much less expensive in terms of electronics, less susceptible to interference and easier to use. In a large area irradiated individual target disk 5 , the released ion energy can be dissipated by means of well-known, a simple technical measures and thus the He warming the target disk 5 are kept low. When implanting a single disc according to the invention be preferably vacuum technically constructed, little störan mature radiation chambers can be used, which may have comparatively much smaller volume to the prior art. The loading and unloading of such an irradiation chamber can be carried out via an input or output lock by means of a magazine system, in the linear continuous process.

Diese nur scheinbar als einfach erscheinende Maßnahme der Erfindung ist deshalb anwendbar, weil die Emissionscharak teristik der Ionenquelle 1 und ionenoptische Abbildungsbe dingungen vorliegen, die erst kombiniert ein mit der Erfindung zu erreichendes sinnvolles Ergebnis erzielen lassen.This only seemingly as a simple measure of the invention is therefore applicable because the emission characteristics of the ion source 1 and ion-optical imaging conditions are present, which can only be combined to achieve a meaningful result to be achieved with the invention.

Die Emissionscharakteristik der Ionenquelle 1 hat eine wie in Fig. 3 angegebene Gestalt einer Glockenkurve 72 mit dem Maximum auf der optischen Geräteachse 6. Die abbildende Linse 2 hat eine ansonsten unerwünschte, unvermeidbare sphärische Aberration, die zur Ausbildung einer Kaustik 8 führt, wie dies mit Hilfe der Fig. 4 näher erläutert wird. Diese an sich unerwünschte Erscheinung hat für die Erfindung den Vorteil, daß damit eine für die Anwendung der Erfindung günstige Ionenstrahlintensitätsverteilung eintritt.The emission characteristic of the ion source 1 has a shape as indicated in FIG. 3 of a bell curve 72 with the maximum on the optical device axis 6 . The imaging lens 2 has an otherwise undesirable, unavoidable spherical aberration, which leads to the formation of a caustic 8 , as will be explained with reference to FIG. 4. This phenomenon, which is undesirable per se, has the advantage for the invention that it results in a favorable ion beam intensity distribution for the application of the invention.

Unter der Voraussetzung, daß das einfallende Ionenstrahlbündel über den Querschnitt konstante Intensitätsverteilung besitzt, ist die durch die abbildende Linse 2 erzeugte Form der Wellen front durch eine unendliche Reihe mit geraden Potenzen der Ortskoordinate beschreibbar. Die Ionenstrahlen ergeben sich dann als die Schar der Orthogonaltrajektorien zu der Wellen fläche. Durch Differentiation der die Wellenfläche beschrei benden Funktion erhält man den Bereich für die Ausbildung der Kaustik. Die Dichte der Orthogonaltrajektorien, d.h. die Strahlungsdichte nimmt mit dem Abstand von der Achse 6 bis zur Kaustik hin zu, wie für den komplizierteren kohärenten Fall in Krimmel, Zeitschrift für Physik, 163, (1961), S. 339 ff., dort jedoch für Elektronen, gezeigt ist. Aus Symmetriegründen ist die Emissionscharakteristik der Ionenquelle durch eine unendliche Reihe in geraden Potenzen der Ortskoordinaten des Beobachtungspunktes beschreibbar, wobei die Intensität mit dem Abstand von der Achse 6 abnimmt. Damit läßt sich durch Überlagerung der beiden vorgenannten Funktionen bei vorzugebenden Linsenparametern in der Umgebung der optischen Achse für eine bestimmte Bildebene eine Kompensation hin sichtlich der Intensität erreichen. Es läßt sich dort ein Bereich mit ausreichend konstanter Bestrahlungsintensität er zielen. Für diese Intensitätskorrektur werden Linsen mit be sonders großer sphärischer Aberration verwendet.Provided that the incident ion beam has a constant intensity distribution over the cross section, the shape of the waves front generated by the imaging lens 2 can be described by an infinite series with even powers of the spatial coordinate. The ion beams then emerge as the family of orthogonal trajectories to the wave surface. By differentiation of the wave surface beschrei Benden function gives the range for the training of Kaustik. The density of the orthogonal trajectories, ie the radiation density increases with the distance from the axis 6 to the caustic, as for the more complicated coherent case in Krimmel, Journal of Physics, 163, (1961), p 339 ff, but there for Electrons, is shown. For reasons of symmetry, the emission characteristic of the ion source can be described by an infinite series in even powers of the location coordinates of the observation point, the intensity decreasing with the distance from the axis 6 . This can be achieved by superimposing the two aforementioned functions in vorzugebenden lens parameters in the vicinity of the optical axis for a given image level compensation towards visually the intensity. It can be there an area with sufficiently constant irradiation intensity he aim. For this intensity correction, lenses with a particularly large spherical aberration are used.

Zahlenbeispiele zum Temperaturanstieg an der Frontseite einer auf einer Kühlunterlage 10 montierten Siliziumscheibe als Target 5, und zwar bei erfindungsgemäß großflächigem Bestrah len mit konstanter Intensität ist folgendes:Numerical examples of the temperature increase on the front side of a silicon wafer mounted on a cooling pad 10 as a target 5 , specifically in the case of large-area irradiation with constant intensity according to the invention, are as follows:

Scheibendurchmesser|12 cmDisc diameter | 12 cm Scheibendickeslice thickness 0,1 cm0.1 cm Wärmeleitfähigkeitthermal conductivity 1,6 W/cm K1.6 W / cm K Ionenenergieion energy 1 MeV1 MeV Ionenstromion current 10 mA10 mA Dosisdose 10 E 16/cm²10 E 16 / cm² Implantationszeitimplantation time ca. 10 sabout 10 s Temperaturerhöhungtemperature increase ca. 10 Kabout 10 K

Der Wert der Temperaturerhöhung hängt noch von der thermischen Kopplung zwischen der als Target 5 verwendeten Scheibe und der Kühlunterlage 10 ab.The value of the temperature increase still depends on the thermal coupling between the disc used as the target 5 and the cooling pad 10 .

Claims

1. ion implantation system ( Fig. 2) with defocused ion beam ( 71 ) with a beam cross section at the location of the target ( 5 ) equal to or greater than the area of the target ( 5 ) and sitätsverteilung over this cross section of the ion beam constant intensity distribution.

2. A method of ion implantation with reduced heating of the target to be implanted, wherein an ion source ( 1 ) and focusing means ( 2 ) are used, characterized in that the target ( 5 ) as a single disc with such a de focused ion beam ( 71 ) in the substantially constant intensity profile over the beam cross-section AB at the intended for the target ( 5 ) location for the intended duration is beamed, wherein the beam cross-section covers the area of the target ( 5 ) and wherein the constant intensity tätsprofil as the sum of the bell curve 72 of Emission characteristic of the ion source ( Fig. 3) and the Kaustik ( 8 ) corresponding intensity distribution ( Fig. 4).

3. The method according to claim 2, characterized by that during the intended irradiation time temporally un interrupted radiation is made.