DE69209196T2

DE69209196T2 - Ionen-Implantationsgerät

Info

Publication number: DE69209196T2
Application number: DE69209196T
Authority: DE
Inventors: Tatsuo Morita; Shuhei Tsuchimoto; Atsushi Yoshinouchi
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1991-09-09
Filing date: 1992-09-09
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2012-09-10
Also published as: US5393986A; DE69209196D1; EP0532283B1; EP0532283A1; JP2799090B2; JPH0567450A

Description

Hintergrundinformation über die Erfindung

1. Erfindungsbereich:

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Ionenimplantation und im speziellen auf ein solches, das zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, wie zum Beispiel einem Dünnfilmtransistor, benutzt wird.

2. Beschreibung des Standes der Technik:

Bei den Herstellungsverfahren für unterschiedliche Halbleiterbauelemente ist die Ionenimplantation unentbehrlich und als Verfahren zur Dotierung eines Halbleiters mit Verunreinigungen extrem wichtig. Heutzutage werden Substrate, auf denen Halbleiterbauelemente gebildet werden, immer größer, da Bildsensoren, Flüssigkristallanzeigen oder ähnliche andere Bauelemente Immer größer werden und da die Produktivität bei der Herstellung dieser Bauelemente verbessert wurde. Deshalb werden Geräte zur Ionenimplantation benötigt, die Ionen großflächig implantieren können.
Ein herkömmliches Gerät zur Ionenimplantation enthält eine Ionenquelle, einen Massenspektrographen und einen Ionenbeschleuniger. Durch die Ionenquelle generierte Ionen werden durch den Massenspektographen geführt, um für die Ionenimplantation nichtbenötigte Ionen herauszufiltern. Anschließend werden nur die ausgewählten Ionen durch den Ionenbeschleuniger beschleunigt. Die beschleunigten Ionen werden im allgemeinen in Form eines Ionenstrahls mit einem Durchmesser von einigen Millimetern in ein Substrat implantiert. Die Dosis der in das Substrat implantierten Ionen kann durch die Messung eines durch das Substrat fließenden Ionenstroms bestimmt werden.
Sollen die Ionen mittels dem zuvor beschriebenen Gerät zur Ionenimplantation in einem großflächigen Substrat implantiert werden, so ist es entweder nötig, das Substrat mechanisch abzutasten oder es durch den Ionenstrahl elektrisch abzutasten, da die Fläche des Substrats im Vergleich mit dem Durchmesser des Ionenstrahls groß ist. Daraus ergibt sich das Problem, daß ein größeres Substrat für die Ionenimplantation eine längere Zeit benötigt. Weiterhin bekommt das Gerät zur Ionenimplantation einen komplizierten Aufbau und es wird groß und teuer, wenn mechanische oder elektrische Abtastmittel vorhanden sein müssen.
Eines der Verfahren, In denen Ionen leicht in einem großflächigen Substrat ohne die oben erwähnten mechanischen oder elektrischen Abtastmittel implantiert werden können, ist in der veröffentlichten Japanischen Patentveröffentlichung Nr.63-194326 beschrieben. Nach diesem Stand der Technik werden durch eine Plasmaentladung als Ionenquelle generierte Ionen mit einer niedrigen Spannung beschleunigt, ohne daß sie durch den Massenspektrographen laufen. Danach werden sie in einem auf eine bestimmte Temperatur aufgeheizten Substrat in einer regenartigen Form implantiert. Da die generierten Ionen nicht durch den Massenspektrographen laufen, werden alle generierten Ionen implantiert, auch nicht benötigte. Weiterhin wird die Dosis aller Ionenarten als Ionenstrom gemessen. Dadurch ist es nach dem Stand der Technik nicht möglich, die präzise Dosis einer bestimmten Ionenart zu messen.
Zum Beispiel werden bei der Ionenimplantation mit dem oben beschriebenen Gerät bei der Benutzung von durch H&sub2; abgeschwächtem PH&sub3;-Gas P&spplus;H&spplus; generiert. Da nur P&spplus; das Substrat in den leitfähigen Zustand bringt, muß die Dosis von P&spplus; kontrolliert werden. Jedoch kann mit diesem Gerät zur Ionenimplantation nur die Gesamtdosierung aller Ionen gemessen werden, also P&spplus; und H&spplus;. Die Dosis der gewünschten Ionenart kann nur experimentell auf Grundlage der Gesamtdosis bestimmt werden. In einem solchen Fall ist die Steuerung der Dosis einer gewünschten Ionenart sehr ungenau.

Zusammenfassung der Erfindung

In einer Ausführung bietet die Erfindung das durch den Anspruch 1 definierte Gerät zur Ionenimplantation. Die abhängigen Ansprüche 2 und 3 beziehen sich auf Ausführungsformen der Erfindung.
Nach einem anderen Aspekt bietet die Erfindung des in Anspruch 4 definierte Verfahren, die Dosis einer Ionenimplantation zu steuern.
Die Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 4 beschreiben den Stand der Technik nach dem folgenden Dokument:
NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH, SECTION B: BEAM INTERACTIONS WITH MATERIALS AND ATOMS, Vol. 21, 1987, AMSTERDAM, NL, pages 314-316 MATSUDA ET AL. "LARGE DIAMETER ION BEAM IMPLANTATION SYSTEM".
Das obige Dokument beschreibt ein System zur Ionenimplantation mit einem Ionenstrahl mit einem großen Durchmesser, das zur Feststellung des räumlichen Ionenstrahlprofils ein Feld von Faradaybechern aufweist.
Ein Thomson Spektrographsystem, das in der Ionenanalyse verwendet werden kann, ist aus dem folgenden Dokument bekannt:
REVIEW OF SCIETIFIC INSTRUMENTS, Vol. 55, 1984, NEW YORK, US, pages 1229-1234 RHEE "COMPACT THOMSON SPECTROMETER".
Entsprechend dem Gerät zur Ionenimplantation und dem Verfahren der Erfindung wird die Bestrahlungszeit einer bestimmten Ionenart zweckmäßigerweise durch die Anzahl der gewünschten Ionen, die durch den elektromagnetisch arbeitenden Ionenenergie-Analysator bestimmt werden, und die Gesamtanzahl der Ionen bestimmt, die jeweils durch die Ladungssammelelektrode bestimmt wird. Dadurch wird die Dotierung eines Substrats mit Verunreinigungen gesteuert. Es ist so möglich, das Substrat mit Verunreinigungen gleichmäßig zu dotieren, um ein Halblelterbauteil mit gleichmäßigen Kennwerten herzustellen. Dadurch werden die Produktionsstückzahlen dieser Halbleiterbauelemente erhöht.
So ermöglicht es die hier offenbarte Erfindung, die Vorteile der Ionenimplantation zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit gleichmäßigen Kennwerten zu erhalten, Indem die Anzahl der für eine Ionenimplantation in einem großflächen Substrat notwendigen Ionen kontrolliert wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Geräts zur Ionenimplantation nach der Erfindung; und
Figur 2 zeigt ein Diagramm, das den Betrieb eines Mittels zur Messung einer Ionenanzahl beschreibt, das in dem Gerät zur Ionenimplantation nach der Erfindung benutzt wird.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die Figur 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Geräts zur Ionenimplantation nach der Erfindung. Das in Figur 1 gezeigte Gerät zur Ionenimplantation enthält eine Plasmaquelle 25 zur Ionengeneration, einen Ionenbeschleuniger 9 zur Beschleunigung der erzeugten Ionen, einen Substrathalter 11 zum Halten eines Substrats, einen elektromagnetisch arbeitenden Ionenenergie-Analysator 14 zur Messung einer Anzahl von Ionen einer gewünschten Ionenart und eine Ladungssammelelektrode 13 zur Messung einer Stromdichte der gesamten Ionen aller Ionenarten.
Die Plasmaquelle 25 enthält eine zylindrische Kammer 2 zur Aufnahme eines Plasmas und Hochfrequenzelektroden 4a und 4b, die jeweils an einer Oberseite und einer Seite der zylindrischen Kammer 2 vorhanden sind. Die Hochfrequenzelektrode 4a an der Oberseite der zylindrischen Kammer 2 hat einen Durchmesser von 60 cm. Eine Hochfrequenzstromversorgung 3 zum Anregen eines Plasmas ist an die Hochfrequenzelektroden 4a und 4b angeschlossen. Ein Gaseinlaß 1 zum Einlassen eines Gases als Ionenquelle ist in der Mitte der Hochfrequenzelektrode 4a an der Oberseite der zylindrischen Kammer 2 angebracht. Um die effektive Erzeugung von Ionen zu unterstützen und um die Form des Plasmas zu justieren, ist ein Magnet 5 außerhalb der Hochfrequenzelektrode 4b an der Seite der zylindrischen Klammer 2 angebracht. Eine Hochfrequenzenergie mit 100 - 200 W bei 13,56 MHz wird bei einem konstanten Druck von 1,33 × 10&supmin;³ bis 1,33 × 10&supmin;¹ Pa (10&supmin;&sup5; bis 10&supmin;³ Torr) in der Kammer an die Hochfrequenzelektroden 4a und 4b angelegt. Dadurch wird ein Plasma erzeugt und das eingelassene Gas wird in der zylindrischen Kammer 2 teilweise ionisiert.
Der Ionenbeschleuniger 9 enthält vier maschenförmige Elektrodennetze 9a, 9b, 9c und 9d, die parallel zueinander angeordnet sind. Das erste Elektrodennetz 9a ist an einer Unterseite der zylindrischen Kammer 2 als Plasmaquelle angeordnet. Diese vier Elektrodennetze 9a, 9b, 9c und 9d werden durch einen Isolator 10 isoliert und in einem geeigneten Abstand gehalten. Eine erste Spannungsquelle 6 für die Ionenbeschleunigung ist zwischen das erste und zweite Elektrodennetz 9a und 9b geschaltet. Eine durch diese Spannungsquelle 6 zur Ionenbeschleunung verursachte Spannung leitet die in der Plasmaquelle generierten Ionen in den Ionenbeschleuniger 9. Eine zweite Spannungsquelle zur Ionenbeschleunigung 7 ist zwischen das zweite und dritte Elektrodennetz 9b und 9c geschaltet. Eine durch die zweite Spannungsquelle 7 zur Ionenbeschleunigung erzeugte Spannung beschleunigt die einkommenden Ionen weiter. Die Ionen werden beschleunigt und fliegen vertikal zu den Elektrodennetzen 9a, 9b, 9c und 9d. Eine Bremsspannungsversorgung 8 zur Kontrolle sekundärer Elektronen ist zwischen das dritte und vierte Elektrodennetz 9c und 9d geschaltet.
Auf dem Substrathalter 11 ist ein Substrat 12 befestigt, das durch die durch den Ionenbeschleuniger 9 beschleunigten Ionen bestrahlt wird. Der Abstand zwischen dem vierten Elektronennetz 9d und dem Substrat ist etwa 50 cm. Das Gerät zur Ionenimplantation nach der Erfindung ist mit einem Drehmechanismus ausgestattet, durch den zur gleichmäßigen Verteilung der Ionen auf dem Substrat der Substrathalter 11 gedreht werden kann. Mit dem so aufgebauten Gerät zur Ionenimplantation ist es möglich, die Ionen gleichmäßig auf einem Substrat mit einer Größe bis zu 30 cm × 30 cm aufzubringen.
Der elektromagnetisch arbeitende Ionenenergie-Analysator 14 enthält Blenden 15a und 15b mit einem Blendendurchmesser von 100 µm, ein Elektrodenpaar 16 zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, die jeweils eine Größe von 4 cm × 5 cm aufweisen, ein paar Magnete 17 mit einem Nordpol und einem Südpol zur Generierung eines Magnetfeldes, die jeweils eine Größe von 4 cm × 5 cm aufweisen, und einem Meßbereich 18 zum Messen der Ionen. Der Meßbereich 18 hat eine Größe von 20 cm × 20 cm und ist 10 cm entfernt von der Blende 15b angeordnet. Eine der Elektroden 16 hat zum Anlegen einer Spannung an die Elektrode einen Anschluß 19. Die Elektroden 16 und die Magnete 17 sind so angeordnet, daß das elektrische und magnetische Feld vertikal zu einer Richtung gebildet werden, In der die Elektroden eintreffen (nachfolgend mit Ioneneinfallrichtung bezeichnet). (Die Ioneneinfallrichtung ist parallel zu der in Figur 2 eingezeichneten Z-Achse.) Der Abstand zwischen dem Elektrodenpaar 16 und den Magneten 17 ist so eingestellt, daß ein elektrisches Feld von 100 kV/m zwischen den Elektroden 16 und ein Magnetfeld von 3,0 × 10&supmin;² T (300 Gauss) zwischen den Magneten 17 erzeugt wird. Die durch die Blenden 15a und 15b eingefallenen Elektroden erreichen durch das jeweils durch die Elektroden 16 und die Magnete 17 gebildete elektrische und magnetische Feld den Meßbereich 18.
Die Ladungssammelelektrode 13 ist in einer Position angebracht, die durch eine Anzahl Ionen bestrahlt wird, die pro Zeiteinheit praktisch gleich zu der der durch die Blenden 15a und 15b des elektromagnetisch arbeitenden Ionenenergie-Analysators 14 einfallenden ist. Die Ladungssammelelektrode 13, die auch Faradaybecher genannt wird, mißt eine Ladung der eintreffenden Ionen als Stromdichte.
Die Figur 2 zeigt schematisch das Prinzip der Messung des elektromagnetisch arbeitenden Ionenenergie -Analysators 14, die nachfolgend anhand eines Beispiels beschrieben wird, in dem H&spplus;, B&spplus; und P&spplus; in den elektromagnetisch arbeitenden Ionenenergie-Analysator 14 eintreten.
Die gestrichelten Linien 20, 21 und 22 zeigen Punkte auf einer Oberfläche des Meßbereichs 18, an denen die verschiedenen Ionenarten ankommen. Ist die Energie der Dotierung bestimmt, so ist für jede Ionenart ein Punkt auf der Oberfläche des Meßbereichs 18 als Aufprallposition bestimmt. Mit einem Koordinatensystem, das die Ioneneinfallrichtung durch die Blenden 15a und 15b als Z-Achse und den Meßbereich als x-y-Ebene aufweist, werden die Aufprallpositlonen durch eine Parabel gekennzeichnet, die der folgenden Gleichung genügt:
y = k (M/Z) x²
Hierin ist M die Masse eines Ions, Z die Valenzzahl des Ions und k eine durch den Aufbau des elektromagnetisch arbeitenden Ionenenergie-Analysators 14 bestimmte Konstante. Wie aus der Gleichung erkannt werden kann, kommt jede Ionenart durch eine durch das elektrische und das magnetische Feld aufgebrachte Kraft abhängig von der Masse und der Ladung der Ionen auf einem anderen Punkt auf dem Meßbereich 18 an.
Wird mit H&sub2; verunreinigtes PH&sub3; als eingebrachtes Gas benutzt, so werden in der Plasmaquelle H&spplus; und P&spplus; erzeugt. Wenn die generierten H&spplus; und P&spplus; mit einer Spannung von 100kV beschleunigt werden, erreichen sie jeweils nur die Punkte 23 und 24. Der Abstand zwischen den Punkten 23 und 24 auf dem Meßbereich 18 ist etwa 3 cm. Eine zu der Ladungssammelelektrode 13 unterschiedliche Ladungssammelelektrode ist an solch einer bestimmten Position als Meßmittel zur Messung einer bestimmten Ionenart angebracht und mißt dadurch die Stromdichte für die bestimmte Ionenart. Da in diesem Beispiel nur P&spplus; zur Ionendotierung nötig ist, reicht es zur Messung der Stromdichte von P&spplus;, wenn sich eine Ladungssammelelektrode am Punkt 24 befindet. Auf diese Art kann die zur Ionendotierung notwendige Dosis gemessen werden. Weiterhin wird durch die gleichzeitige Messung der Gesamtstromdichte von H&spplus; und P&spplus; durch die Ladungssammelelektrode 13 ein Verhältnis der zur Ionendotierung nötigen P&spplus; zu allen Ionenarten H&spplus; und P&spplus; erhalten. Die Dosis der P&spplus; kann kontrolliert werden, indem eine Ionenbestrahlungszeit mittels dem erhaltenen Verhältnis bestimmt wird.
Werden die Ionen mit einer anderen Energie dotiert, so wird die Ladungssammelelektrode abhängig von der Energie zur Messung einer Stromdichte der gewünschten Ionenart entlang der zuvor erwähnten Parabel verschoben. Die Ladungssammelelektrode wird automatisch abhängig von der Ladung und der Masse der zu messenden Ionen und seiner Beschleunigungsenergie entlang der x- und der y- Achse verschoben. Dadurch kann eine solche Bedienfolge automatisch durchgeführt werden und die zur Ionendotierung nötige Ionenanzahl kann leicht bestimmt werden.
Nach dem oben ausgeführten Beispiel werden das elektrische Feld und das magnetische Feld vertikal zur Ioneneinfallrichtung erzeugt. Jedoch können die Ionen auch abhängig von ihrer Art und der Energie zur Dotierung getrennt werden, wenn das jeweils durch die Elektroden 16 und die Magnete 17 generierte elektrische Feld und magnetische Feld nicht parallel zur Ioneneinfallrichtung ausgerichtet sind, da solche elektrischen und magnetischen Felder vertikal zur Ioneneinfallrichtung verlaufende Komponenten aufweisen. Weiterhin ist nach dem oben ausgeführten Beispiel die Beschleunigung und der Weg der Ionen in der gleichen Richtung. Jedoch können die Ionen in anderen Aufbauten in unterschiedlichen Richtungen zu ihrem Weg beschleunigt werden. In einem solchen Fall können die Ionen sogar auch abhängig von ihrer Masse und ihrer Ladung und der Dotierungsenergie durch die Erzeugung von elektrischen und magnetischen Feldern mit Komponenten vertikal zur Ioneneinfallrichtung in den elektromagnetisch arbeitenden Ionenenergie-Analysator 14 getrennt werden.
Nach dem Beispiel wird die Gesamtstromdichte von H&spplus; und P&spplus; mit der Ladungssammelelektrode 13 gemessen und die Stromdichte der P&spplus; durch den elektromagnetisch arbeitenden Ionenenergle-Analysator 14. Auf diese Weise wird das Verhältnis der P&spplus; zu allen Ionenarten erhalten. Jedoch kann die Ionenbestrahlungszeit auch mit dem elektromagnetisch arbeitenden Ionenenergie-Analysator 14 allein bestimmt werden.
Weiterhin wird nach dem Beispiel die Anzahl der Ionen, die den Meßbereich 18 erreicht haben, durch eine Ladungssammelelektrode gemessen, sie kann jedoch auch mittels eines Films gemessen werden. Ist auf dem Meßbereich 18 ein Film vorhanden, so kommen die Ionen abhängig von ihrer Masse und Ladung an unterschiedlichen Positionen auf dem Film an. Durch die Messung einer Dichte der Spur der Ionen auf jeder Aufprallposition kann das Verhältnis jeder Ionenart erhalten werden. Die Dosis der zur Ionendotierung benötigten Ionen kann mittels dem erhaltenen Verhältnis kontrolliert werden.
Mit einem solchen einfachen Aufbau, wie er in dem zuvor beschriebenen Beispiel aufgezeigt ist, können große Substrate mit Ionen dotiert werden und die Dosis der Dotierungsionen kann leicht gesteuert werden.
Auf diese Weise können Ionen nach der Erfindung in einem großen Substrat implantiert werden, wobei ihre Dosis genau gesteuert wird. Als Ergebnis wird ein Halbleiterbauelement mit gleichmäßigen Kennwerten bei einer angestiegenen Produktionsstückzahl hergestellt.
Verschiedene andere Modifikationen können durch die Fachleute in diesem Gebiet leicht erkannt und durchgeführt werden, ohne daß sie den Schutzbereich der Ansprüche verlassen. Der Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche soll nicht durch die vorgehende Beschreibung, sondern nur durch die Ansprüche selbst bestimmt werden.

Claims

1. Gerät zur Ionenimplantation mit:

einer Plasmaquelle (25) zur Ionengeneration;

einem Ionenbeschleuniger (9) zur Beschleunigung der Ionen;

einem Substrathalter (11) an einer durch die Ionen bestrahlten Position; und

einer Ladungssammelelektrode (13) an einer durch die Ionen bestrahlten Position neben dem Substrathalter (11);

gekennzeichnet durch:

einen elektromagetisch arbeitenden Ionenenergie-Analysator (14) an einer durch die Ionen bestrahlten Position neben dem Substrathalter (11) mit einem Feldgenerator (15a, 15b, 16, 17) zum Generieren eines elektrischen und eines magnetischen Feldes mit zur Ioneneinfallrichtung orthogonalen Teilkräften, und einem Meßgerät (18) zum Messen einer Anzahl einer bestimmten Ionenart pro Zeiteinheit, das Meßgerät hat einen Erfassungsbereich, der verschiedene Punkte einschließt, an denen die Ionen, die das magnetische und das elektrische Feld passiert haben, abhängig von ihrer Masse und Ladung ankommen; und

dadurch, daß die Ladungssammelelektrode (13) so angeordnet ist, daß sie eine Anzahl der Ionen mißt, die praktisch gleich zu der von allen den Ionenenergie- Analysator (14) bestrahlenden Ionen pro Zeiteinheit ist.

2. Gerät zur Ionenimplantation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät (18) darauf ausgelegt ist, einen Dichtestrom einer gewünschten Art von Ionen zu messen, die das elektrische und das magnetische Feld passiert haben.

3. Gerät zur Ionenimplantation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät (18) einen Film zur Feststellung von Spuren ausgestrahlter Ionen aufweist, die das elektrische und das magnetische Feld passieren und den Film erreichen.

4. Methode zur Ionenimplantation in dem Ionen aus einer Plasmaquelle (25) heraus beschleunigt werden und dazu veranlaßt werden, auf einem Zielsubstrat (12) aufzutreffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionendosierung einer bestimmten gewünschten Ionenart des Plasmas auf dem Substrat (12) in Übereinstimmung mit den Ausgaben (i) eines elektromagnetisch arbeitenden Ionenenergie-Analysators (14), der die gewünschte Ionenart zählt, nachdem sie aus einer Probe aller aus dem Plasma heraus beschleunigten Ionen geteilt wurden, und (ii) einer Ladungssammelelektrode (13), die eine entsprechende Probe aller aus dem Plasma heraus beschleunigten Ionen empfängt, wobei jede Probe zu den auf das Zielsubstrat auftreffenden Ionen korrespondiert, gesteuert wird, indem ein Verhältnis zwischen der Anzahl der gewünschten Ionen pro Zeiteinheit, die von dem Ionenenergie-Analysator (14) gemessen wurden und der Anzahl aller Ionen der Probe pro Zeiteinheit, die von der Ladungssammelelektrode (13) gemessen wurden, berechnet wird.