DE69030329T2

DE69030329T2 - Ionimplantationsgerät

Info

Publication number: DE69030329T2
Application number: DE69030329T
Authority: DE
Inventors: Naomitsu Fujishita; Susumu Katoh; Masao Naitou; Tetsuya Nakanishi; Kazuhiko Noguchi; Shigeo Sasaki; Kazuhiro Shono; Masayasu Tanjo
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1989-08-17
Filing date: 1990-08-17
Publication date: 1997-09-25
Anticipated expiration: 2010-08-18
Also published as: EP0413366A2; DE69027720T2; US5132545A; EP0413366A3; DE69027720D1; DE69030329D1; EP0413366B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Ionenimplantationsgerät.
Eine Art von Ionenimplantationsgerät ist bereits aus folgendem bekannt:
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Vol. B37/38, 1989, Seiten 612 - 615. Dieses bekannte Ionenimplantationsgerät ist mit folgendem versehen:
- einer Ionenquelle mit einer Ionen erzeugenden Bogenkammer und einer Ziehelektrode, die Ionen aus dieser Bogenkammer zieht;
- einer Massentrenneinrichtung, die nur solche Ionen unter den gezogenen Ionen transportiert, die zur Implantation in ein Material erforderlich sind, in das Ionen implantiert werden sollen;
- einer Ionenimplantationskammer, in der das Material angeordnet wird; und
- einer Steuerungseinrichtung zum Steuern der Stromstärke und der Stromdichteverteilung des von der Ionenquelle gelieferten Ionenstrahls;
- wobei die Steuerungseinrichtung so ausgebildet ist, dass sie die Stromstärke und die Stromdichteverteilung dadurch einstellt, dass sie den Abstand zwischen der Bogenkammer und der Steuerelektrode steuert.
Fig. 15 ist ein Diagramm, das ein anderes Beispiel eines herkömmlichen Ionenimplantationsgeräts zeigt, wie es z. B. in der Zeitschrift für japanische Patentoffenlegungen unter der Nr. 62-241 247 offenbart ist. Gemäß Fig. 15 wird ein Ionenstrahl 22 an eine Ionenimplantationskammer 21 gegeben und durch eine Ionenstrahl-Korrekturlinse 27 korrigiert. Danach durchläuft der korrigierte Ionenstrahl eine Ionenstrahl-Messeinrichtung 33, die als Sensor einer Steuerung 32 zum Steuern der Ionenstrahl-Korrekturlinse 27 arbeitet. Dann durchläuft der Ionenstrahl 22 einen Faradaykäfig 34 und wird in eine auf einer sich drehenden Platte 23 angeordnete Scheibe 24 implantiert. Diese drehende Platte 23 ist mit einem Ionenstrahl-Amperemeter 26 verbunden.
Nun wird nachfolgend der Betrieb desselben im einzelnen beschrieben.
Der Ionenstrahl 22 wird von der linken Seite in Fig. 15 her an die Ionenimplantationskammer 21 gegeben und dann in den auf der sich drehende Platte 23 angeordneten Wafer 24 implantiert. Die Platte 23 dient als Boden des Faradaykäfigs 34, und die Stärke des an den Faradaykäfig 34 gegebenen Ionenstrahls kann mittels des mit der Platte 23 verbundenen Ionenstrahl-Amperemeters 26 gemessen werden. Der Ionenstrahl 22 durchläuft die Ionenstrahl- Korrekturlinse 27 und die Ionenstrahl-Messeinrichtung 33 unmittelbar bevor er den Faradaykäfig 34 erreicht.
Fig. 16 ist eine Ansicht, die die Ionenstrahl-Messeinrichtung 33 gesehen von der Seite des Wafers 24 zeigt. Gemäß Fig. 16 wird eine Sonde 29 aus einem hochschmelzenden Metall so durch einen Metall 40 angetrieben, dass sie sich um einen geeigneten Winkel dreht und den Ionenstrahl 22 vertikal schneidet, wobei ein Strom durch das Amperemeter 41 fließt. Am Motor 40 sind ein Potentiometer und ein Winkelcodierer angebracht und dann wird ein vom Amperemeter 41 erhaltenes Signal durch ein Oszilloskop mit geeigneter Synchronisierung überwacht, mit dem Ergebnis, dass der in Fig. 17 dargestellte Signalverlauf erhalten wird. So können die vertikale Länge, die Position und die ungefähre Konfiguration des Ionenstrahls aus dem Signalverlauf und den Positionen a und b in Fig. 17 erhalten werden. Der Computer 32 erhält diese Information und steuert die Ionenstrahl-Korrekturlinse 27, wodurch der Ionenstrahl 22 korrigiert wird.
Da jedoch die Ionenstrahl-Korrekturlinse 27 bei im obigen herkömmlichen Ionenimplantationsgerät vor der sich drehenden Platte 23 eingefügt ist, ist die Größe des Geräts erhöht und sein Aufbau ist kompliziert, mit dem Ergebnis, dass die Herstellkosten erhöht sind. Außerdem ist, wenn die Strahlkorrekturlinse 27 eingefügt ist, der Strahllaufweg erhöht, so dass die Anzahl von Ionen, die mit neutralen Teilchen zusammentreffen und während ihres Transports gestreut werden, zunimmt. Im Ergebnis ist der Transportwirkungsgrad des Strahls verringert. Um dies zu verhindern, muss die Korrekturlinse weggelassen werden, damit der Transportweg des Strahls kurz sein kann, insbesondere bei einem Ionenimplantationsgerät mit großem Strom, bei dem es stark auf den Transportwirkungsgrad des Strahls ankommt, wie bei einem Ionenimplantationsgerät für Vorababscheidung (wie z. B. in "Electron and Ion Beam Handbook") erläutert, wobei es sich derzeit um die Hauptströmung handelt. Wenn jedoch keine Ionenstrahl-Korrekturlinse vorhanden ist, ist es schwierig, den Strom und die Stromdichte des Ionenstrahls geeignet zu steuern.
Ionenimplantationsgeräte, die keine Ionenkorrekturlinse benötigen, die aber dennoch den Strom und die Stromdichte des Ionenstrahls geeignet steuern können, sind aus Patent Abstracts of Japan, Vol. 13, Nr. 150(E-742)(3498) (Zusammenfassung zu JP-A-63-310 549) und aus Patent Abstracts of Japan, Vol. 12, Nr. 115(E-599)(2962) (Zusammenfassung zu JP-A-6-243 231) bekannt. Das in der ersteren Literaturstelle beschriebene Gerät umfasst eine Strommesseinrichtung sowie Blenden, die durch eine Blendenantriebssteuerung auf solche Weise gedreht werden, dass der gemessene Ionenstrom auf einen speziellen Wert eingestellt wird. Beim Gerät der letzteren Literaturstelle wird ein bestimmter Ionenstrahlstrom eingestellt und dann wird die Ionenstrom- Strahldichte an mehreren Punkten gemessen. Wenn beim Betrieb des Geräts eine bestimmte Stromdichte erwünscht ist, wird der entsprechende Ionenstrahlstrom eingestellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ionenimplantationsgerät zu schaffen, das dazu in der Lage ist, die Stromstärke und die Stromdichteverteilung eines Ionenstrahls mit einfachem Aufbau ohne Ionenstrahl-Korrekturlinse zu messen.
Das erfindungsgemäße Ionenimplantationsgerät ist durch die Lehre des beigefügten Anspruchs 1 definiert. Bei diesem Gerät ist die Steuerungseinrichtung so ausgebildet, dass sie den Abstand zwischen der Bogenkammer und der Ziehelektrode einstellt. Die Einstellung erfolgt mit offener Schleife durch Berechnen und Steuern des Abstands auf Grundlage verschiedener Parameter.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Ansicht, die den Aufbau eines Ionenimplantationsgerät zeigt, das der Erfindung ähnlich ist, jedoch nicht in Übereinstimmung mit dieser steht;
Fig. 2 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Steuerungsalgorithmus zum Steuern eines Ionenstrahls durch Einstellen des Abstands zwischen einer Bogenkammer und einer Strahlziehelektrode entsprechend einer theoretischen Berechnung unter Verwendung des Konzepts zeigt, gemäß dem die Perveanz in einem Strahlziehpunkt normiert wird;
Fig. 3 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Steuerungsalgorithmus zum Steuern eines Ionenstrahls durch Einstellen des Abstands zwischen der Bogenkammer und der Strahlziehelektrode und des Eintrittswinkels und des Austrittswinkels eines Massenspektrometers zeigt;
Fig. 4 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Steuerungsalgorithmus zum Steuern eines Ionenstrahls durch Einstellen des Abstands zwischen der Bogenkammer und der Strahlziehelektrode und des Eintrittswinkels und des Austrittswinkels eines Massenspektrometers gemäß einer theoretischen Berechnung und durch Ausführen einer Regelung unter Verwendung einer Einrichtung zum Messen der Ionenstromdichteverteilung zeigt;
Fig. 5 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Steuerungsalgorithmus zum Steuern eines Ionenstrahls durch Einstellen des Abstands zwischen der Bogenkammer und der Strahlziehelektrode und des Eintrittswinkels und des Austrittswinkels des Massenspektrometers gemäß einer technischen Berechnung und durch Ausführen einer Regelungs unter Verwendung einer Einrichtung zum Messen der Ionenstromdichteverteilung in solcher Weise, dass eine vorgegebene, maximale Stromdichte nicht überschritten wird, zeigt;
Fig. 6 ist eine Ansicht, die die Korrelation zwischen der Implantationsstromstärke und der Stromdichteverteilung zeigt;
Fig. 7 ist eine Ansicht, die die Beziehung zwischen dem Abstand der Ziehelektrode zur Bogenkammer, dem Ziehstrom und der normierten Perveanz zeigt;
Fig. 8 ist eine Ansicht, die die zweidimensionale Stromdichteverteilung zeigt, wenn die normierte Perveanz und der Strahlstrom als Parameter verwendet werden;
Fig. 9 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Ionenimplantationsgeräts mit einem herkömmlichen Massenspektrometer zeigt;
Fig. 10 ist eine Ansicht, die den Aufbau eines Ionenimplantationsgeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 11 ist eine Ansicht, die die Beziehung zwischen dem Abstand d von einer Bogenkammer zu einer Strahlziehelektrode, dem Strom und der Stromdichteverteilung eines Strahls im Gerät von Fig. 10 zeigt;
Fig. 12 ist eine Ansicht, die die ausummierte Strahlstromdichte in der Scheibenabrasterrichtung zeigt, wenn d Werte von i bis iv aufweist;
Fig. 13 ist eine Ansicht, die einen Steuerungsaufbau einer Massentrenneinrichtung eines Ionenimplantationsgeräts zeigt, das der Erfindung ähnlich ist, jedoch nicht dieser entspricht;
Fig. 14 ist eine Ansicht, die den Aufbau eines Ionenimplantationsgeräts zeigt, das der Erfindung ähnlich ist, jedoch nicht dieser entspricht;
Fig. 15 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Ionenimplantationsgeräts mit einer herkömmlichen Ionenstrahl-Korrekturlinse zeigt;
Fig. 16 ist eine Ansicht, die eine Ionenstrahl-Messeinrichtung des Geräts von Fig. 15 zeigt; und
Fig. 17 ist eine Ansicht, die die Stromdichteverteilung zeigt, wie sie von der Ionenstrahl-Messeinrichtung in Fig. 16 erfasst und durch ein Oszilloskop überwacht wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im einzelnen beschrieben.
Fig. 1 ist eine Ansicht, die den Aufbau eines Ionenimplantationsgeräts zeigt, das der Erfindung ähnlich ist, jedoch dieser nicht entspricht. In Fig. 1 umfasst eine Ionenquelle 1 eine ionenerzeugende Bogenkammer 2 und eine Ziehelektrode 3, die Ionen aus der Bogenkammer 2 zieht. Eine Massentrenneinrichtung 25 entnimmt einen Ionenstrahl 11b mit nachgeforderten Ionen aus einem durch die Ziehelektrode 3 herausgezogenen Ionenstrahl 11a, und dann wird der Ionenstrahl 11b an eine Ionenimplantationskammer 5 gegeben. In der Ionenimplantationskammer 5 ist eine sich drehende Platte 6 vorhanden, auf die ein Wafer 28 aufgelegt ist. Eine Ionenstrahl-Messeinrichtung 7 ist im unteren Teil der sich drehenden Platte 6 vorhanden. Eine Steuerungseinrichtung 10 steuert eine Ziehelektrode-Antriebseinrichtung 8 abhängig von Daten, wie sie von der Ionenstrahl-Messeinrichtung 7 erhalten werden.
Nachfolgend wird der zugehörige Betrieb im einzelnen beschrieben.
Ionen, wie sie von der Bogenkammer 2 in der Ionenquelle 1 erzeugt werden, werden durch die Strahlziehelektrode 3 herausgezogen und dann als Ionenstrahl 11a abgestrahlt. Dieser Ionenstrahl 11a durchläuft die Massentrenneinrichtung 25, und dann wird an die Ionenimplantationskammer 5 nur ein Ionenstrahl 11b mit den nachgeforderten Ionen gegeben. Die an die Ionenimplantationskammer 5 gegebenen Ionen werden in dieser in den auf die sich drehende Platte 6 aufgelegten Wafer 28 implantiert.
Die Ionenstrahl-Messeinrichtung 7 zum Messen der Stromstärke und der Stromdichteverteilung des Ionenstrahls ist in einem Teil unter der sich drehenden Platte 6 an einer Position angeordnet, die derjenigen entspricht, an die der Ionenstrahl 11b geliefert wird. Von der Ionenstrahl-Messeinrichtung 7 erhaltene Daten werden von der Steuerungseinrichtung 10 empfangen und verarbeitet, wodurch die Ziehelektrode-Antriebseinrichtung 8 gesteuert wird. Im Ergebnis wird der Abstand zwischen der Bogenkammer 2 und er Ziehelektrode 3 eingestellt und die Ionenstrahlen 11a und 11b werden korrigiert.
Es wird angenommen, dass der Ionenstrahl dann mit höchster Genauigkeit gemessen werden kann, wenn z. B. ein Abrasterungsverfahren durch einen Ionenstrahldetektor vom Faradaytyp mit mehreren Löchern als Ionenstrahl- Messeinrichtung 7 verwendet wird. Jedoch kann derselbe Typ wie der der Ionenstrahl-Messeinrichtung 33 beim in Fig. 15 dargestellten herkömmlichen Gerät verwendet werden.
Gemäß Fig. 1 wird der Ionenstrahl durch die Strahlziehelektrode 3 aus der Bogenkammer 2 herausgezogen. Da der Ionenstrahl aus positiven elektrischen Ladungen besteht, wird er, insbesondere dann, wenn die Ionendichte hoch ist, durch Abstoßungskräfte der Ionen aufgeweitet. Dieser Effekt wird allgemein als "durch eine Ionenraumladung hervorgerufene Divergenz" bezeichnet. Zunächst wird eine Steuerung (Primärsteuerung) ohne Berücksichtigung der durch die Raumladung hervorgerufenen Strahldivergenz ausgeführt. Der Abstand D zwischen der Strahlziehelektrode 3 und der Bogenkammer 2, wie er für minimalen Strahldivergenzwinkel sorgt, wenn die durch die Raumladung hervorgerufene Strahldivergenz nicht berücksichtigt wird, wird durch eine Theorie und einen numerischen Ausdruck aufgefunden, wie von Junzo Ishikawa in "Ionenquellentechnik", S. 178 - 186, veröffentlicht von Ionics Kabushiki Kaisha, beschrieben, und zwar wie folgt:
D = 2(SC&epsi;0 / 9I)1/2 (2αV³)1/4,
wobei S die Fläche eines Ziehlochs ist, C eine Konstante ist, die den Wert 0,6 hat, wenn das Zielloch ein Kreis hat, dagegen 0,68, wenn es ein Schlitz ist, &epsi;0 die Dielektrizitätskonstante im Vakuum ist, α die effektive spezifische Ladung ist, I der Ziehstrom ist und V die Ziehspannung ist.
Die obige effektive spezifische Ladung α ist wie folgt ausgedrückt:
α-1/2I = Σi(mi / Zie)1/2Ii,
wobei mi, Zi und Ii die Masse, die Ionisierungszahl und der Strahlstrom jedes Ions, wie in I enthalten, sind, und e die Elementarladung ist.
In der obigen Gleichung sind S und C Konstanten, die von einem jeweiligen Gerät abhängen, und V und I werden als Implantierungsbedingungen eingestellt. Wenn α in Abhängigkeit von I durch einen Versuch oder dergleichen erhalten wird, berechnet die Steuerungseinrichtung 10 den Wert von D durch verschiedene arithmetische Operationen, und die Position der Strahlziehelektrode 3 wird durch eine Antriebseinrichtung 8 eingestellt, wodurch der Strahlziehvorgang dann, wenn die durch Raumladungen hervorgerufene Divergenz vernachlässigt wird, mit der besten Konvergenz realisiert werden kann. Das Obige ist die Primärsteuerung.
Außerdem kann α leicht durch einen Versuch unter Verwendung einer Massentrenneinrichtung 25 herausgefunden werden.
Der herausgezogene Ionenstrahl durchläuft die Massentrenneinrichtung 25, wodurch nur ein Strahl mit nachgeforderten Ionen abgetrennt wird. Danach wird er auf den Wafer 28 auf der in der Ionenimplantationskammer 5 angeordneten sich drehenden Platte 6 geliefert. Die Ionenstrahl-Messeinrichtung 7 misst die Stromstärke und die Stromdichteverteilung des auf den Wafer 28 gestrahlten Strahls. Dabei zeigt die gemessene Stromstärke den maximalen Wert, wenn die durch die Raumladung hervorgerufene Divergenz vernachlässigt werden kann.
Wenn jedoch der Effekt der Raumladung nicht vernachlässigt werden kann und die Stromstärke nicht maximal ist, oder wenn eine beträchtliche Schwankung der Stromdichte selbst dann existiert, wenn die Stromstärke maximal ist, und wenn diese Variation korrigiert werden soll, wird die folgende genauere Steuerung, d.h. eine Sekundärsteuerung ausgeführt.
Fig. 11 ist ein Kurvenbild, das die Abhängigkeit der Stromstärke und der Stromdichteverteilung eines Ionenstrahls, wie von der Ionenstrahl-Messeinrichtung 7 gemessen, von d (Abstand zwischen der Bogenkammer und der Ziehelektrode) zeigt. Die horizontale Achse in Fig. 11 zeigt, dass d mit gleichen Intervallen in der Reihenfolge i, ii, iii und iv erhöht wurde. Fig. 12 zeigt die Stromdichteverteilung eines angesammelten Strahls in der Plattenabrasterrichtung an jeder der Positionen i bis iv. Wie es aus den Fig. 11 und 12 erkennbar ist, hat eine Änderung von d denselben Effekt auf den Strahl wie eine Konvergenzlinse. Daher kann, wenn der Wert von d in der Richtung iv hin geändert wird und dann die Steuerungseinrichtung 10 eine Regelung ausführt, die von der Ionenstrahl-Messeinrichtung 7 gemessene Stromstärke maximal sein. Außerdem variiert, wenn die Stromstärkeverteilung gleichmäßig gemacht wird, der Wert von d in der Richtung i hin, und die Steuerungseinrichtung 10 führt eine Regelung aus, während sie die Stromdichteverteilung von der Ionenstrahl-Messeinrichtung 7 überwacht. Als Überwachungsparameter wird dabei z. B. der Wert der maximalen Stromdichte oder der Wert maximale Stromdichte/mittlere Stromdichte eingestellt, und dann kann durch die Steuerungseinrichtung 10 die maximale Stromstärke erhalten werden, die den eingestellten Wert nicht überschreitet.
Wie oben beschrieben, ist der Strahltransportweg nicht erhöht, da der Ionenstrahl ohne Ionenstrahl-Korrekturlinse eingestellt werden kann. Daher können die Stromstärke und die Stromdichteverteilung des Ionenstrahls automatisch eingestellt werden, während der Strahltransportwirkungsgrad nicht verringert ist.
Selbstverständlich kann die obige Steuerung bei serieller Steuerung angewandt werden, bei der eine kontinuierliche Steuerung in Echtzeit realisiert wird oder auf einen Chargenprozess, bei dem ein Ionenstrahl mit geeigneten Zeitintervallen eingestellt wird.
Obwohl die obige Steuerung durch Überwachen des Ionenstrahls nach einer Massentrennung ausgeführt wird, kann der Strahl vor der Massentrennung überwacht werden. Dabei, insbesondere dann, wenn die Stromdichteverteilung gesteuert wird, ist es erforderlich, vorab eine Korrelation für die Stromdichteverteilungen des Ionenstrahls vor und nach der Massentrennung mittels Berechnung oder dergleichen herauszufinden.
Fig. 9 ist eine Ansicht, die ein herkömmliches Ionenimplantationsgerät zeigt, wie es z. B. in der Zeitschrift japanischer Patentveröffentlichungen unter der Nr. 62-243 231 offenbart ist. Gemäß Fig. 9 wird ein Ionenstrahl 101 durch eine Ziehelektrode 93 aus einer Ionenquelle-Bogenkammer (Ionenquelle) 92 herausgezogen. Dann wird die Laufrichtung des Ionenstrahls 101 durch eine Massentrenneinrichtung (Analysatormagnet) 94 gekrümmt und der zugehörige Austrittswinkel wird durch ein Polstück 99 variiert. Der ausgegebene Ionenstrahl 101 läuft durch einen beweglichen Analyseschlitz 102 und einen Formungsschlitz (Maske) 103, und er erreicht ein Ionenstrahl-Stromdichtemessgerät (Sonde) 97 und einen Wafer 104. Eine Ionenstrahl-Stromdichteverteilungs-Messeinrichtung 106 misst die Ionenstrahl-Stromdichte von der Sonde 97. Eine Ionenimplantations-Bestimmungseinrichtung 108 beurteilt abhängig von dem Wert der Ionenstrahl-Stromdichte und dem Wert der maximalen Ionenstrahl-Stromdichte, wie von der Messeinrichtung 107 für die maximale Ionenstrahl-Stromdichte gemessen, ob Ionenimplantation ausgeführt werden kann oder nicht. Wenn das Ergebnis dasjenige ist, das Implantation ausgeführt werden kann, steuert eine Sondenpositions-Steuerungseinrichtung 109 die Position der Sonde 97. Wenn das Ergebnis dasjenige ist, dass keine Implantation ausgeführt werden kann, steuert eine Ionenstrahlprofil-Steuerungseinrichtung 100 den Austrittswinkel aus dem Polstück 99, und eine Ionenstrahlfokuspositions-Berechnungseinrichtung 112 berechnet die Fokusposition des Ionenstrahls. Dann variiert eine Analyseschlitzpositions-Steuerungseinrichtung 111 die Position eines Analyseschlitzes 102 abhängig vom Berechnungsergebnis.
Nachfolgend wird der zugehörige Betrieb im einzelnen beschrieben.
Die Ionenquelle 92 erzeugt ein Plasma von Fremdstoffionen, und die Ziehelektrode 93 zieht den Ionenstrahl 101 aus dem Plasma ab. Der Analysatormagnet 94 erzeugt ein Magnetfeld in der Richtung vertikal zum Ionenstrahl 101 und er krümmt die Laufrichtung des Ionenstrahls 101. Das Polstück 99 variiert den Austrittswinkel A des Ionenstrahls 101 um seine Rotationsachse 110 herum. Die Position des Rennpunkts 105 des Ionenstrahls gelangt durch diese Änderung des Austrittswinkels A näher an den Analysatormagnet 94 oder weiter von diesem weg. Der Analyseschlitz 102 analysiert den Ionenstrahl 101 und erhöht dessen Reinheit. Die Maske 103 verhindert ein Aufweiten des Ionenstrahls 101 über das erforderliche Maß hinaus. Die Sonde 97 empfängt den Ionenstrahl 101 bevor Ionenimplantation auf dem Halbleiterwafer 104 ausgeführt wird, auf dem ein MOS-IC oder dergleichen hergestellt wird, und dann wird die Ionenstrahl-Stromdichteverteilung durch die Messeinrichtung 106 für die Ionenstrahl-Stromdichteverteilung gemessen. Dann wird der Wert für die maximale Ionenstrahl-Stromdichte durch die Einstelleinrichtung 107 für die maximale Ionenstrahl-Stromdichte eingestellt, und dieser Wert und der Messwert werden durch die Ionenimplantations-Bestimmungseinrichtung 108 bestimmt. Wenn das Ergebnis dasjenige ist, dass Implantation ausgeführt werden kann, wird die Position der Sonde 97 durch die Sondenpositions- Steuerungseinrichtung 109 gesteuert. Andererseits verstellt, wenn das Ergebnis dasjenige ist, das keine Implantation ausgeführt werden kann, die Ionenstrahlprofil-Steuerungseinrichtung 100 das Polstück 99.
Wie oben beschrieben, wird die Dichteverteilung des maximalen Ionenstroms so gesteuert, dass verhindert ist, dass sich die Ausbeute durch elektrostatische Überschläge verringert.
Jedoch ist es nicht möglich, das Steuerungsverfahren für ein herkömmliches Gerät auf ein Ionenimplantationsgerät anzuwenden, das keine Messeinrichtung für die Strahlstromdichteverteilung aufweist. Außerdem gilt, da das Profil des Strahls nur durch den Strahlaustrittswinkel des Massenspektrometers gesteuert wird, dass die Steuerung nur für die vertikale oder horizontale Richtung des Strahls gilt, so dass es nicht möglich ist, den Strahl automatisch gleichzeitig in horizontaler und vertikaler Richtung zu steuern. Ferner gilt, obwohl der elektrostatische Durchschlagskoeffizient von der maximalen Stromdichte abhängt und die Produktivität von der Stärke des Implantationsstroms abhängt, die obige Steuerung nur für die maximale Stromdichte, genauer gesagt, berücksichtigt die Steuerung nur elektrostatische Überschläge, während die Produktivität nicht berücksichtigt wird, da der Strahl in einigen Fällen einen anderen Strahlstrom aufweist, wie in Fig. 6 dargestellt, während beinahe dieselbe maximale Stromdichte vorliegt. In Fig. 6 zeigt die die Fig. 6(a) eine zweidimensionale Stromdichteverteilung, und Fig. 6(b) zeigt eine Stromdichteverteilung in einem Schnitt entlang der Linie A-A' in Fig. 6(a).
Fig. 10 ist eine Ansicht, die den Aufbau eines Ionenimplantationsgeräts gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. In Fig. 10 bezeichnen dieselben Bezugszeichen dieselben oder entsprechende Teile wie in Fig. 1. Eine Steuerungseinrichtung 10 steuert den Abstand zwischen der Bogenkammer 2 und der Ziehelektrode 3 durch Quantisierung gemäß einer theoretischen Berechnung unter Verwendung des Konzepts der normierten Perveanz in einem Strahlziehteil.
Nachfolgend wird der zugehörige Betrieb im einzelnen beschrieben.
Gemäß Fig. 10 wird der Ionenstrahl 11a durch die Ziehelektrode 3 aus dem durch die Bogenkammer 2 erzeugten Plasma gezogen. Der gezogene Strahl 11a durchläuft die Massentrenneinrichtung 25, und dann wird der Strahl 11b mit den erforderlichen Ionen abgetrennt. Dann wird der Strahl 11b in die Ionenimplantationskammer 5 eingeleitet und auf den auf der sich drehenden Platte 6 angeordneten Wafer 28 gestrahlt.
Wie es in der obigen Literaturstelle "Ionenquellentechnik", S. 183 - 186 dargestellt ist, ist der Divergenzwinkel ω des Teilchens auf der äußersten Bahn an der Position der Ziehelektrode in erster Näherung durch die folgende Gleichung repräsentiert, wenn Raumladungen vernachlässigbar sind:
(i) Einzellochelektrode:
ω = (1 / 4) (2a / d) 1 - (5 / 3) (P / Pc) ,
wobei 2a die Länge der Öffnung zum Ziehen eines Strahls ist und d der Abstand zwischen der Bogenkammer und der Ziehelektrode ist.
(ii) Schlitzelektrode oder dergleichen
ω = (17 / 12) (a / d) 1 - (25 / 17) (p / Pc) ,
wobei P die tatsächliche Perveanz im Strahlziehteil ist, die durch die folgende Gleichung repräsentiert ist:
P =IEX / V3/2,
wobei IEX der Ziehstrom und V die Beschleunigungs(Zieh)spannung ist.
Außerdem ist Pc die Perveanz im Strahlziehteil, wie sie durch eine Näherungsberechnung für eine planparallele Platte erhalten wird, wie durch die folgende Gleichung repräsentiert:
Pc (4&epsi;0 / 9)(S / d²)(2Ze / mi)1/2,
wobei &epsi;&sub0; die Dielektrizitätskonstante im Vakuum ist, S die Öffnungsfläche des Strahlziehteils ist, Z die Ionisierungszahl ist, e die Elementarladung ist und mi die Ionenmasse ist. (Beim obigen ersten Ausführungsbeispiel ergibt sich die Gleichung für D, die für den minimalen Strahldivergenzwinkel sorgt, aus dem Wert P/Pc, wenn ω, in der obigen Gleichung den Wert null hat.)
Außerdem ist die Beziehung zwischen dem Strahldivergenzwinkel ω und den Anfangsgeschwindigkeiten des Strahls in den Richtungen x und y, nämlich x&sub0;' und y&sub0;', die folgende:
Daher wird, wenn die Position der Ziehelektrode 3 und die normierte Perveanz P/Pc im Strahlziehteil aufgefunden sind, der Strahldivergenzwinkel ω aufgefunden. Wenn die Position und ω aufgefunden sind, kann die Strahlgröße auf einem Wafer berechnet werden, so dass es möglich ist, die Strahlgröße auf dem Wafer durch Steuern des Werts P/Pc einzustellen. Jedoch kann die obige Berechnung in einigen Fällen nicht unverändert angewandt werden, da bei einem tatsächlichen Ionenimplantationsgerät Unterschiede des Zustands eines Ziehsystems, wie betreffend die Konfiguration der Ziehelektrode, vorliegen. In diesem Fall kann der Wert fP/Pc verwendet werden, bei dem Multiplikation mit einem Faktor f erfolgt ist, der für das Gerät eigentümlich ist. Aus der Gleichung für P und Pc ergibt sich, dass sich P/Pc ändert, wenn IEX, V und d variiert werden. Jedoch ist V auf einen konsanten Wert fixiert, wenn die Implantationstiefe oder dergleichen von der Prozessseite her spezifiziert ist. Indessen steht IEX in starkem Zusammenhang mit der Stärke des Implantationsstroms, und diese Stärke des Implantationsstroms kann Gegenstand der Steuerung sein, so dass IEX dazu verwendet werden sollte, die Stärke des Implantationsstroms zu steuern. Daher kann der Wert von d zum einstellen von P/Pc verwendet werden. Wie es aus Fig. 7 erkennbar ist, ergibt sich z. B., dass dann, wenn der Bogenstrom im Ionenimplantationsgerät konstant ist und d von 8 mm bis 14 mm variiert wird, P/Pc im Bereich von 0,22 bis 0,68 variiert, während der Wert von IEX beinahe konstant ist. Der Grund hierfür ist der, dass die Plasmadichte konstant ist, insoweit der Bogenstrom konstant ist. Außerdem ist es aus Fig. 8 erkennbar, dass das Strahlprofil beinahe derselbe ist, insoweit der Wert von P/Pc derselbe ist, und zwar selbst dann, wenn IEX in einigen Implantationsgeräten verschieden ist (es wird angenommen, dass die Differenz der Strahlverteilung auf Grund der Stromstärke durch einen Raumladungseffekt nach dem Ziehen des Stroms hervorgerufen wird). Daher wird, wenn die gewünschte Größe des Strahls auf dem Wafer festgelegt ist, der Wert von d durch die Berechnungs- und Steuerungseinrichtung 10 entsprechend dem Messwert für die Stärke des gezogenen Stroms oder dergleichen berechnet. Dann ist es möglich, den Strahl 11 durch Verstellen des Ziehelektrode-Antriebsmechanismus 8 zu steuern. Fig. 2 zeigt ein Beispiel für den dabei verwendeten Steuerungsalgorithmus.
Als erstes werden die Ionenart, die Beschleunigungsspannung V, die Stärke des Implantationsstroms IB0 und die Strahlgröße eingestellt (200) und es erfolgt Bogenzündung mit minimalem Bogenstrom IAmin (201). Dann wird der Abstand d zwischen der Ziehelektrode und der Bogenkammer, der den Divergenzwinkel minimal macht, berechnet und eingestellt (202). Wenn der Ionenstrahl auf einen Seitenwand eines Faradaykäfigs trifft, wird der Abstand d wiederholt berechnet und eingestellt, um den Strahl einzuengen, bis ein Strahl erhalten wird, der nicht auf die Seitenwand des Faradaykäfigs trifft (203, 204). Wenn die Stärke des Implantationsstroms IB nicht der eingestellten Stärke des Ionenimplantationsstroms IB0 entspricht (205), wird die Stärke des Bogenstroms IA auf IA + δIA eingestellt (206), und die Schritte kehren zu 202 zurück. Die Verarbeitung von 202 nach unten hin kann wiederholt werden bis die Stärke des Implantationsstroms IB mit der Sollstärke des Implantationsstroms IB0 übereinstimmt.
Indessen wird beim ersten Ausführungsbeispiel der Strahldivergenzwinkel beim Ziehen des Strahls eingestellt und die Phasenkoordinate des Strahls auf dem Wafer im Strahltransportsystem wird bei diesem Ausführungsbeispiel wie folgt unter Verwendung der Matrixrepräsentation erhalten, wie sie in "Ion beams with application to ion implantation", S. 207- 213 angegeben ist:
x: Horizontale Richtung
y: Vertikale Richtung
wobei (M) die Übergangsmatrix in jedem Teil ist, wobei diese jeweils wie folgt repräsentiert sind:
: gerade Linie vom Ausgangs eines Analyseelektromagneten zu einem Wafer, wobei L2 der Abstand dazwischen ist.
: hervorgerufen durch den Effekt in einem Endteil am Auslass des Analyseelektromagneten, wobei β der Strahlaustrittswinkel ist.
:Analyseelektromagnet
:hervorgerufen durch einen Effekt im Endteil am Einlass des Analyseelektromagneten, wobei α der Strahleintrittswinkel ist.
:gerade Linie von einer Ionenquelle zum Einlass des Analyseelektromagneten, wobei L1 der Abstand dazwischen ist.
:hervorgerufen durch einen Effekt im Endteil am Auslass des Analyseelektromagneten.
:Analyseelektromagnet
hervorgerufen durch einen Effekt am Einlass des Analyseelektromagneten, wobei p der Krümmungsradius ist und Φ der Polarisationswinkel ist.
Daher kann die Strahlgröße auf dem Wafer durch Berechnen der äußersten Bahn einer gewünschten Art von Ionen unter den Ionenstrahl bildenden Teilchen unter Verwendung der obigen Gleichung erhalten werden.
Genauer gesagt, ist es auch möglich, den Wert (x, y, x', y') durch Variieren des Eintrittswinkels und des Austrittswinkels der Massentrenneinrichtung 25 gemäß der obigen Gleichung (1) zu erhalten.
Fig. 13 ist eine Ansicht, die einen Steuerungsaufbau einer Massentrenneinrichtung in einem Ionenimplantationsgerät zeigt, das der Erfindung ähnlich ist, jedoch nicht dieser entspricht. Gemäß Fig. 13 wird ein Ionenstrahl von einer Ionenquelle 1 ausgegeben, und die optische Achse desselben wird durch einen Massenanalyse-Elektromagnet 12 gekrümmt. Dann erreicht der Ionenstrahl einen Wafer 24 und einen Strahlintensitätsverteilungs-Detektor 7. Eine Steuerungsberechnungseinrichtung 31 steuert einen Magnetpol zum Verändern des Eintrittswinkels und einen Magnetpol zum Verändern des Austrittswinkels am Massenanalyse-Elektromagnet 12 abhängig vom Ausgangssignal des Strahlintensitätsverteilungs-Detektors 7.
Nachfolgend wird der zugehörige Betrieb im einzelnen beschrieben.
Das Ionenimplantationsgerät wird auf verschiedene Weise verwendet. Wenn z. B. ein Halbleiter hergestellt wird, wird es dazu verwendet, eine Schicht mit einem nachgefragten Atom durch Sputtern von Ionen auf den Wafer auszubilden. Die Art des in den Wafer inplantierten Ions ist Bor (B), Arsen (As) oder dergleichen. Wenn z. B. Vor implantiert wird, wird als erstes Borgas in die Ionenquelle 1 eingeleitet, um ionisiert zu werden, und dann erfolgt ein Ziehvorgang mit der erforderlichen Energie. Jedoch existieren nicht erforderliche Ionen wie ¹&sup0;B, die nicht mit den erforderlichen Ionen ¹¹B im gezogenen Borstrahl übereinstimmen. Daher werden die erforderlichen Ionen ¹¹B durch den Masseanalyse-Elektromagnet 12 von den verschiedenen Ionen abgetrennt, und sie erreichen den Wafer. Obwohl die erforderliche Größe des Strahls auf dem Wafer durch die Wafergröße bestimmt ist, ist, wenn der aus der Ionenquelle 1 gezogene Strahl durch eine herkömmliche Massentrenneinrichtung läuft, der Strahlaustrittswinkel variabel, wobei jedoch der Strahleintrittswinkel festliegt, und daher erfolgt Strahlsteuerung entweder in x- oder in y-Richtung.
Daher umfasst der Analyseelektromagnet 12 gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen Magnetpol 19a zum Verändern des Eintrittswinkels und einen Magnetpol 19b zum Verändern des Austrittswinkels, die den Effekt haben, den Strahl in der horizontalen und vertikalen Richtung zu konvergieren, und zusätzlich ist eine automatische Steuerung für diese vorhanden, damit Funktion als Massentrenneinrichtung vorliegt.
Die Bezugszeichen α und β entsprechen α und β in der Beschreibung zur Gleichung, die die Koordinaten bestimmt. In Fig. 13 konvergiert x und y divergiert, wenn die Richtung eines Pfeils den Wert β > 0 hat, und wenn die Richtung des Pfeils den Wert α < 0 hat, divergiert x und y konvergiert. Genauer gesagt, werden, wenn beide Werte positiv sind, eine Konvergenzkraft in horizontaler Richtung und eine Divergenzkraft in vertikaler Richtung ausgeübt, und dann, wenn sie negativ sind, werden die umgekehrten Kräfte ausgeübt. Die Bewegung von Teilchen in einem derartigen Strahltransportsystem ist oben beschrieben, und es kann jede beliebige Strahlgröße auf dem Wafer dadurch erhalten werden, dass der Eintritts- und der Austrittswinkel variiert werden. Da der Eintritts- und der Austrittswinkel bei diesem Ausführungsbeispiel variabel sind, ist es selbst dann, wenn ein vorbestimmter Strahl nicht erhalten wird oder ein Fall vorliegt, bei dem die Art von Ionen, die Beschleunigungsspannung oder dergleichen nach der Herstellung des Geräts geändert werden, möglich, dadurch für eine vorbestimmte Strahlgröße auf dem Wafer zu sorgen, dass sowohl der Eintritts- als auch der Austrittswinkel geeignet variiert werden.
Wie oben beschrieben, ist es möglich, den Strahl automatisch mit hoher Präzision zu steuern, da die Werte des Eintrittswinkels α und des Austrittswinkels β berechnet werden und dann der Strahl so erzeugt werden kann, dass er bei diesem Ausführungsbeispiel in den beiden Richtungen x und y konvergiert.
Außerdem ist der Strahltransportwirkungsgrad erhöht und der Strahl kann mit hoher Genauigkeit gesteuert werden, wenn z. B. der Divergenzwinkel des Strahls vor seinem Einleiten in die Massentrenneinrichtung 4 durch die Ziehelektrode auf einen möglichst kleinen Wert eingestellt wird und der Strahl durch den Eintritts- und den Austrittswinkel α und β durch Kombination der Steuerung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel und der Positionssteuerung der Ziehelektrode 3 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgebildet wird.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel für den Steuerungsalgorithmus in diesem Fall.
Als erstes werden die Art von Ionen, die Beschleunigungspannung V, die Ionenstromstärke IB0 und die Strahlgröße eingestellt (300) und es erfolgt Bogenzündung für den minimalen Bogenstrom IAmin (301). Dann wird der Abstand d zwischen der Ziehelektrode und der Bogenkammer berechnet, der den Divergenzwinkel minimiert, und er wird eingestellt (302), und der Strahleintrittswinkel α und der Strahlaustrittswinkel β werden berechnet und eingestellt (303). Wenn der Strahl die Seitenwand eines Faradaykäfigs trifft, werden der Strahleintrittswinkel α und der Strahlaustrittwinkel β wiederholt berechnet und eingestellt, um den Strahl zu verengen, bis er nicht mehr die Seitenwand des Faradaykäfigs trifft (304, 304). Wenn die Implantationsstromstärke IB nicht der Sollstärke für den Implantationsstrom IB0 entspricht (306), wird die Stärke des Bogenstroms IA auf IA + δIA eingestellt (307), und die Schritte kehren zu 302 zurück. Die Verarbeitung ab 302 nach unten kann wiederholt werden, bis die Implantationsstromstärke IB der Sollstärke des Implantationsstroms IB0 entspricht.
Wenn die Steuerung durch die Ziehelektrode 3 in diesem Fall als Steuerung zum Ziehen eines konstanten Strahls selbst bei Variieren der Ionenquelle angesehen wird, kann davon ausgegangen werden, dass der Steuerungsbereich erhöht ist. Außerdem ist der Steuerungsbereich im Vergleich mit dem einer Steuerung nur des Austrittswinkels β selbst dann erhöht, wenn nur die Steuerung der Ziehelektrode 3 und die Steuerung des Austrittswinkels β (oder des Eintrittswinkels α) kombiniert werden.
Obwohl die Steuerung in einem Fall von Wirkung ist, bei dem die durch den Effekt einer Raumladung des Strahls hervorgerufenen Divergenz vernachlässigt werden kann, ist es, wenn dieser Effekt nicht vernachlässigt werden kann, erforderlich, eine Berechnung zu verwenden, bei der der Effekt der Raumladung berücksichtigt wird. Das Grobschema dieses Berechnungsverfahrens ist beinahe dasselbe wie das obige, mit der Ausnahme, dass der Einfluss des Raumladungseffekts durch eine dünnwandige Linse angenähert wird und in die Berechnung aufgenommen wird. Genauer gesagt, wird angenommen, dass eine Divergenzkraft, wie sie durch den Einfluss der Raumladung erzeugt wird, wenn der Strahl um einen Weg 1 läuft, so angesehen, als würde sie im Moment empfangen, zu dem der Strahl den Weg 1 zurückgelegt hat. Daher scheint es so, dass eine Linse, die die Divergenzkraft sowohl in horizontaler als auch vertikaler Richtung ausübt, im Strahltransportsystem mit Intervallen 1 angeordnet ist. Wenn die elektrische Ladungsdichteverteilung des Strahls gleichmäßig ist, ist die Übergangsmatrix eine dünnwandigen Linse wie folgt repräsentiert:
wobei &epsi; der Wert elektrische Ladungszahl/Massezahl ist, η der Neutralisierungskoeffizient ist, m&sub0;c² die Protonenrestenergie ist, y der Wert Ionengeschwindigkeit/Lichtgeschwindigkeit ist, α der Radius in horizontaler Richtung ist, wenn der Strahlquerschnitt eine Ellipse ist, und b der Radius in vertikaler Richtung ist, wenn der Strahlquerschnitt eine Ellipse ist.
Wie es aus dem Vorstehenden erkennbar ist, wird, da die durch die Raumladung hervorgerufene Divergierungskraft mit dem Strahldurchmesser in Zusammenhang steht, die Divergierungskraft bei der tatsächlichen Berechnung angewandt, während der Strahldurchmesser sequentiell entlang der Strahlbahn berechnet wird. Genauer gesagt, wird der Strahldurchmesser herausgefunden, wenn der Strahl von der Ionenquelle um den Weg 1 wegläuft, und zwar unabhängig vom Einfluss der Raumladung, und dann wird die durch die Raumladung hervorgerufene Divergierungskraft für den Strahldurchmesser unter Verwendung der obigen Repräsentation aufgefunden und dann wird die Divergierungskraft auf den Strahl angewandt. Dieselbe Berechnung wird unter Verwendung der sich entsprechend geänderten Emissionsform als Anfangswert fortgesetzt. Wenn der Neutralisierungskoeffizient betreffend Elektronen des Ionenstrahls vorab durch einen Versuch oder dergleichen herausgefunden wird, kann die Steuerung genauer ausgeführt werden.
Wie oben beschrieben, kann die Strahlgröße auf dem Wafer durch die Berechnung automatisch gesteuert werden, mit dem Ergebnis, dass der Strahlstrom automatisch gesteuert werden kann. Wenn es erforderlich ist, die Stromdichteverteilung automatisch mit höherer Genauigkeit als bei der obigen automatischen Steuerung einzustellen, oder wenn ein nichtlinearer Effekt auf den Strahl nicht vernachlässigt werden kann, kann jedoch abhängig vom durch die Messeinrichtung 7 für die Stromdichteverteilung gemessenen Ergebnis eine Regelung ausgeführt werden.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel für den Steuerungsalgorithmus in diesem Fall.
Als erstes werden die Art von Ionen, die Beschleunigungsspannung V, die Implantationsstromstärke IB0 und die maximale Stromdichte jp0 eingestellt (400) und es erfolgt eine Bogenzündung mit dem minimalen Bogenstrom IAmin (401). Dann wird der Abstand d zwischen der Ziehelektrode und der Bogenkammer, der den Divergenzwinkel minimal macht, berechnet und eingestellt (402), und der Strahleintrittswinkel α und der Strahlaustrittswinkel β werden berechnet und eingestellt, wenn die Strahlgröße innerhalb eines Bereichs liegt, in dem der Strahl nicht auf die Seitenwand eines Faradaykäfigs (403) trifft. Wenn der Strahl immer noch auf die Seitenwand des Faradaykäfigs trifft, werden der Strahleintrittswinkel und der Strahlaustrittswinkel β wiederholt berechnet und eingestellt, um den Strahl einzuengen, bis ein Strahl erhalten wird, der nicht auf die Seitenwand des Faradaykäfigs trifft (404, 405). Dann wird die Stromdichteverteilung gemessen (406), und wenn die maximale Stromdichte jp höher als die vorgegebene maximale Stromdichte jp0 ist, werden der Strahleintrittswinkel α und der Strahlaustrittswinkel β erneut berechnet und eingestellt, um den Strahl aufzuweiten (407). Wenn der Strahl immer noch auf die Seitenwand des Faradaykäfigs (408) trifft, wird beurteilt, dass eine Einstellung unmöglich ist, und dann wird die Verarbeitung abgeschlossen. Wenn die maximale Stromdichte jp der vorgegebenen maximalen Stromdichte jp0 entspricht oder darunterliegt (406) und wenn die Stärke des Implantationsstroms IB nicht der Sollstärke des Implantationsstroms IB0 entspricht (409), wird die Stärke des Bogenstroms IA auf IA - δIA eingestellt (410), und die Schritte kehren zu 402 zurück. Die Verarbeitung ausgehend von 402 nach unten kann wiederholt werden, bis die Stärke des Implantationsstroms IB gleich der Sollstärke IB0 des Implantationsstroms wird.
Obwohl die oben beschriebene Steuerung nur unter Berücksichtigung des elektrostatischen Durchschlagskoeffizienten ausgeführt wird, ist es erwünscht, wenn die Produktivität erhöht werden muss, dass die Stromstärke groß ist und der elektrostatische Durchschlagskoeffizient niedrig ist. Daher ist es erwünscht, eine Steuerung der Stromdichte und der Implantationsstromstärke auf hohem Niveau auszuführen.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel für einen automatischen Steuerungsalgorithmus für diesen Fall.
Als erstes werden die Art von Ionen, die Beschleunigungsspannung V, die Implantationsstromstärke IB0 und die maximale Stromdichte jp0 vorgegeben (500) und es erfolgt eine Bogenzündung mit dem minimalen Bogenstrom IAmin (501). Dann wird der Abstand d zwischen der Ziehelektrode und der Bogenkammer, der den Divergenzwinkel minimal macht, berechnet und eingestellt (502), und der Strahleintrittswinkel α und der Strahlaustrittswinkel β werden berechnet und, wenn die Strahlgröße maximal ist, in einem Bereich eingestellt, in dem der Strahl nicht auf die Seitenwand eines Faradaykäfigs (503) trifft. Wenn der Strahl immer noch auf die Seitenwand des Faradaykäfigs trifft, werden der Strahleintrittswinkel α und der Strahlaustrittswinkel β wiederholt berechnet und eingestellt, um den Strahl einzuengen, bis ein Strahl erhalten wird, der nicht auf die Seitenwand des Faradaykäfigs trifft (504, 505). Dann wird die Stromdichteverteilung gemessen (506), und wenn die maximale Stromdichte jp höher als die vorgegebene maximale Stromdichte jp0 ist (507), wird die Stärke des Bogenstroms IA auf IA - δIA eingestellt (508), und die Schritte kehren zu 502 zurück. Die Verarbeitung ausgehend von 502 nach unten kann wiederholt werden, bis die maximale Stromdichte jp der vorgegebenen maximalen Stromdichte gleich wird oder darunterliegt.
Bei diesem Algorithmus wird die maximale Implantationsstromstärke erhalten, die den Wert der vorgegebenen maximalen Stromdichte nicht überschreitet.
Im Ergebnis ist es möglich, ein Ionenimplantationsgerät mit guter Ausbeute und Produktivität im Vergleich mit einem herkömmlichen Implantationsgerät zu schaffen.
Fig. 14 ist eine Ansicht, die einen Aufbau eines Ionenimplantationsgeräts zeigt, das der Erfindung ähnlich ist, jedoch nicht dieser entspricht und das eine Ionenstrahl-Messeinrichtung für die obige Regelung zusätzlich zur Einrichtung zum Steuern des Abstands zwischen der Bogenkammer und der Ziehelektrode durch Quantisierung entsprechend der theoretischen Berechnung unter Verwendung des Konzepts der Perveanz am Ziehpunkt sowie eine Einrichtung zum Steuern des Eintritts- und des Austrittswinkels des Ionenstrahls zur Massentrenneinrichtung durch Quantisierung gemäß der obigen theoretischen Berechnung umfasst. In Fig. 14 umfasst eine Ionenquelle 1 eine Ionen erzeugende Bogenkammer 2 und eine Ziehelektrode 3, die Ionen aus der Bogenkammer 2 zieht. Eine Massentrenneinrichtung 4 mit einem Eintrittswinkel- Verstellmechanismus 9a und einem Austrittswinkel-Verstellmechanismus 9b entnimmt einen Ionenstrahl 11b mit erforderlichen Ionen aus einem durch die Ziehelektrode 3 gezogenen Ionenstrahl 11a, und dann wird der Ionenstrahl 11b an die Ionenimplantationskammer 5 gegeben. In dieser Ionenimplantationskammer 5 ist eine sich drehende Platte 6 vorhanden, auf die ein Wafer 28 aufgelegt ist. Im Teil unter der sich drehenden Platte 6 ist eine Ionenstrahl-Messeinrichtung 7 vorhanden. Eine Steuerungseinrichtung 10 steuert eine Ziehelektrode-Antriebseinrichtung, den Eintrittswinkel-Verstellmechanismus 9a und den Austrittswinkel-Verstellmechanismus 9b abhängig von Daten, wie sie von der Ionenstrahl-Messeinrichtung 7 erhalten werden.
Automatische Steuerung gemäß der Erfindung kann bei kontinuierlicher Steuerung (serielle Steuerung) in Echtzeit oder bei Strahleinstellung (Chargenprozess), wie mit geeigneten Zeitintervallen ausgeführt, angewandt werden.
Bei automatischer Steuerung unter Verwendung des Werts P/Pc kann in einem Teil des Geräts eine theoretische Berechnung erfolgen, oder es kann eine Berechnung nur in einem anderen Gerät erfolgen. Alternativ kann der Strahl gemäß dem Wert P/Pc gemessen werden, um vorab den geeigneten Wert von P/Pc klarzustellen, und dann kann das Gerät den Wert d automatisch auf eine Position entsprechend dem Wert von P/Pc durch Einstellen dieses Werts steuern.
Die Regelung unter Verwendung der Messeinrichtung 7 für die Stromdichteverteilung kann dazu verwendet werden, die theoretische Berechnung zu korrigieren, oder es kann nur die Regelung verwendet werden. Außerdem kann, obwohl durch Messen des Strahls nach der Massentrennung herkömmliche Regelung ausgeführt wird, automatische Steuerung dadurch ausgeführt werden, dass der Strahl vor der Massentrennung überwacht wird. In diesem Fall ist es erforderlich, die Korrelation zwischen Strahlen vor und nach der Massentrennung durch Berechnung oder einen Versuch klarzustellen.
Derselbe Effekt kann bei der automatischen Steuerung unter Verwendung der maximalen Stromdichte als Steuerparameter selbst dann erhalten werden, wenn der Maximalwert der angesammelten Stromdichte für den Wafer in einer ersten Abrasterrichtung oder die Implantationsstromstärke an einem Element, wie durch Multiplizieren der aufsummierten Stromdichte über die Breite des Elements anstelle der maximalen Stromdichte als Steuerparameter verwendet wird.
Es ist angenommen, dass sich die Ionenquelle bei der oben beschriebenen automatischen Steuerung in einem Normalzustand (in gewissem Ausmaß) befindet. Jedoch verstellt sich die Einstellung der Ionenquelle, wenn eine Wendel ausgetauscht wird, was eine Axialverschiebung der Ziehelektrode und des Strahlziehteils der Bogenkammer verursacht oder die Abnutzung der Wendel konzentriert sich auf einen Endteil, was in machen Fällen eine große Änderung der Plasmaverteilung hervorruft. In diesem Fall ändert sich die Verteilung des Implantationsionenstrahls stark, mit dem Ergebnis, dass automatische Steuerung manchmal nicht effektiv arbeitet. Daher kann ein Alarm erzeugt werden, wenn von der Messeinrichtung für die Ionenstrahlstrom-Dichteverteilung, wozu im Ionenimplantationsgerät eine einfache gehört, eine große Änderung der Strahlverteilung herausgefunden wird. Wenn der Alarm unmittelbar nach dem Einstellen der Ionenquelle gegeben wird, wird die Einstellung der Ziehelektrode oder der Bogenkammer so eingestellt, dass die Änderung der Strahlverteilung beseitigt ist, oder wenn ein Alarm mehrfach gegeben wird, nachdem die Ionenquelle eingestellt ist (eine Wendel ausgetauscht ist), kann die Wendel selbst dann ausgetauscht werden, wenn sie nicht abgenutzt ist. So existiert keine große Schwankung in der Strahlverteilung, und dann kann die obige automatische Steuerung effektiv arbeiten.
In den Fig. 2 und 3, die den automatischen Steuerungsalgorithmus veranschaulichen, wird zunächst die Strahlgröße vorgegeben. Jedoch kann sich im Hinblick auf eine Verringerung des elektrostatischen Durchschlagskoeffizienten der Strahl gut innerhalb eines Bereichs aufweiten, wobei z. B. der Strahl selbst nicht die Seitenwand eines Faradaykäfigs trifft und kein Fehler beim Lesen der Stromstärke auftritt. Außerdem kann, da diese Aufweitung (d.h. die Strahlgröße) eine Eigenheit des Geräts ist, die Strahlgröße als Konstante in die Berechnungseinrichtung eingespeichert werden.
Obwohl die oben beschriebene Erfindung hauptsächlich einen Ionenimplantationsgerät betrifft, wie es bei der Herstellung eines Halbleiters verwendet wird, kann sie auf ein Ionenimplantationsgerät angewandt werden, das für einen anderen Gegenstand (z. B. zur Oberflächenumformung von Metall oder dergleichen) verwendet wird, und zwar aus dem Gesichtspunkt einer automatischen Steuerung zum Vereinheitlichen der Strahlverteilung heraus.
Gemäß der Erfindung erübrigt sich eine Ionenstrahl-Korrekturlinse, da die Stromstärke und die Stromdichteverteilung eines Ionenstrahls durch Einstellen des Abstands zwischen einer Bogenkammer und einer Strahlziehelektrode eingestellt werden. Im Ergebnis kann verhindert werden, dass der Strahltransportwirkungsgrad abnimmt. Außerdem ist, da es möglich ist, den Abstand zwischen der Bogenkammer und der Stahlziehelektrode durch Quantisierung gemäß einer theoretischen Berechnung unter Verwendung des Konzepts der normierten Perveanz am Strahlziehpunkt einzustellen, eine Steuerung selbst dann möglich, wenn keine Ionenstrahl-Messeinrichtung in einer Ionenimplantationskammer vorliegt, mit dem Ergebnis, dass die Größe des Geräts verringert werden kann.

Claims

1. Ionenimplantationsgerät mit:

- einer Ionenquelle (1) mit einer Ionen erzeugenden Bogenkammer (2) und einer Ziehelektrode (3), die Ionen aus dieser Bogenkammer (2) zieht;

- einer Massentrenneinrichtung (25), die nur solche Ionen unter den gezogenen Ionen transportiert, die zur Implantation in ein Material erforderlich sind, in das Ionen implantiert werden sollen;

- einer Ionenimplantationskammer (5), in der das Material angeordnet wird; und

- einer Steuerungseinrichtung zum Steuern der Stromstärke und der Stromdichteverteilung des von der Ionenquelle gelieferten Ionenstrahls;

- wobei die Steuerungseinrichtung (10) so ausgebildet ist, dass sie die Stromstärke und die Stromdichteverteilung dadurch einstellt, dass sie den Abstand (d) zwischen der Bogenkammer (2) und der Steuerelektrode (3) steuert; dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (10) so ausgebildet ist, dass sie

- einen Divergenzwinkel (ω) auf Grundlage der Strahlgröße am Material, in das Ionen zu implantieren sind, bestimmt; und

- den Abstand (d) auf Grundlage des Divergenzwinkels ω, der Länge 2a der Öffnung der Ziehelektrode (3) und der normierten Perveanz P/Pc berechnet, wobei folgendes gilt:

P = IEX / V³/² und

Pc = (4&epsi;&sub0;/9)(S/d²)(2Ze/mi)¹/²,

wobei IEX der Ziehstrom ist, V die Ziehspannung ist, &epsi;&sub0; die Dielektrizitätskonstante im Vakuum ist, S die Öffnungsfläche am Strahlziehteil ist, Z die Ionisationszahl ist, e die Elementarladung ist und mi die Ionenmasse ist, wobei die folgende Gleichung im Fall einer Einzellochelektrode gilt:

ω = (1/4) (2a/d) 1 - (5/3) (P/Pc) ,

oder wobei im Fall einer Schlitzelektrode die folgende Gleichung gilt:

ω = (17/12)(a/d) 1 - (25/17)(P/Pc) .

2. Ionenimplantationsgerät nach Anspruch 1, das so ausgebildet ist, dass es anstelle des Terms P/Pc den Term fP/Pc verwendet, wobei f ≠ 1 gilt und f von der Konfiguration der Ziehelektrode (3) abhängt.