DE69906515T2

DE69906515T2 - Beschleunigungs- und analysevorrichtung für eine ionenimplantationsanlage

Info

Publication number: DE69906515T2
Application number: DE69906515T
Authority: DE
Inventors: Charles Mckenna; Anthony Renau
Original assignee: Varian Semiconductor Equipment Associates Inc
Current assignee: Varian Semiconductor Equipment Associates Inc
Priority date: 1998-06-02
Filing date: 1999-05-25
Publication date: 2003-11-20
Anticipated expiration: 2019-05-26
Also published as: DE69906515D1; WO1999063572A1; US6130436A; JP2002517885A; EP1082747B1; KR100590644B1; JP4521850B2; US6313475B1; EP1082747A1; TW428204B; KR20010052514A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ionenstrahlgenerator und einen Ionenimplantierer.
Ionenimplantierung ist eine Standardtechnik zum Einbringen von leitfähigkeitsverändernden Verunreinigungen in Halbleiterwaver geworden. Ein gewünschtes Verunreinigungsmaterial wird in einer Ionenquelle ionisiert, die Ionen werden zur Bildung eines Ionenstrahls vorbestimmter Energie beschleunigt, und der Ionenstrahl wird auf die Waveroberfläche gerichtet. Die energiereichen Ionen im Strahl dringen in das Innere des Halbleitermaterials ein und werden in das Kristallgitter des Halbleitermaterials derart eingebaut, daß sie einen Bereich gewünschter Leitfähigkeit bilden.
Ionenimplantierungssysteme umfassen üblicherweise eine Ionenquelle zum Umwandeln eines Gases oder eines Festkörpermaterials in einen wohldefinierten Ionenstrahl. Der Ionenstrahl wird massenanalysiert, um unerwünschte Ionenarten zu entfernen, wird auf eine gewünschte Energie beschleunigt und auf eine Targetebene (Zielebene) gerichtet. Der Strahl wird durch Strahlscannen, durch eine Targetbewegung oder eine Kombination aus Strahlscannen und Targetbewegung über die Targetfläche verteilt. Beispiele für Ionenimplantierer des Stands der Technik sind offenbart in der US-A-4276477, US-A-4283631, US-A-4899059, US-A-4922106, JP-A-7105901 und EP-A-0405855.
Ein wohlbekannter Trend in der Halbleiterindustrie geht zu kleineren Vorrichtungen mit höherer Geschwindigkeit hin. Insbesondere nehmen sowohl die lateralen Abmessungen als auch die Tiefen der Strukturen in Halbleitervorrichtungen ab. Die Hersteller der Vorrichtungen müssen die Tiefenverteilung implantierter Dotiermaterialien kritisch kontrollieren. Zu diesem Zweck muß der Ionenimplantierer die Energie der auf die Wäveroberfläche treffenden Ionen genau steuern. Das Erfordernis der Energiesteuerung betrifft zahlreiche Anforderungen, wie z. B. die Stabilität der Stromversorgung. Allerdings wurde die Leistungsfähigkeit von Ionenimplantierern durch weniger offensichtliche Gründe für eine Energiekontamination begrenzt, was das Vorhandensein von Teilchen im Ionenstrahl mit Energien ist, die von der gewünschten Implantierungsenergie abweichen.
Eine Energiekontamination kann aus einer Wechselwirkung zwischen Ionen im Strahl und Restgasmolekülen im System herrühren. Ladungsaustauschreaktionen können den Ladungszustand von Strahlionen verändern, wenn sie mit neutralen Molekülen im System wechselwirken. Wie zu erwarten hängt die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines solchen Austausches von der Neutralgasdichte und daher vom Systemdruck ab. Wenn nach einer solchen Reaktion der Strahl durch ein elektrisches Feld beschleunigt wird, dann werden die Ionen, deren Ladungszustand sich geändert hat, bei Fehlen einer weiteren Analyse das Target mit einer nicht korrekten Energie erreichen. Dies liegt daran, daß die von einem Ion beim Durchqueren eines beschleunigenden oder abbremsenden elektrischen Felds gewonnene Energie proportional zum Ladungszustand des Ions ist.
Der Energiebereich eines Ionenimplantierers wird häufig dadurch erweitert, daß man das System darauf einstellt, von der Quelle erzeugte mehrfach geladene Ionen zu transportieren. Anstatt einen 200 kV-Beschleuniger zum Implantieren von 200 keV einfach geladenen Ionen zu verwenden, können auf diese Weise bei geeigneter Einstellung 400 keV doppelt geladene Ionen implantiert werden. Diese Vorgehensweise stößt jedoch auf Probleme aufgrund der durch die Quelle erzeugten molekularen Ionen. Man stelle sich beispielsweise vor, daß das auf dem Target benötigte Ion P&spplus;&spplus; ist. Obwohl die Quelle so eingestellt werden kann, daß die Produktion von P&spplus;&spplus;-Ionen maximiert wird, wird sie auch andere Ionen erzeugen, und insbesondere erzeugt sie P&sub2;&spplus;-Ionen. Dieses molekulare Ion ist eine wohlbekannte Quelle für eine Energiekontamination, da es aufbrechen kann und P&spplus;-Ionen bei fast genau einem Viertel der Energie der erforderlichen P&spplus;&spplus;-Ionen bilden kann. Eine Magnetanalyse kann nicht zwischen P&spplus;&spplus;-Ionen und. P&spplus;-Ionen bei einem Viertel der Energie unterscheiden, und somit erreichen Ionen mit einer kleineren als der benötigten Energie das Target.
Zusammen mit Ionen der benötigten Art deponieren Implantierer oft Kontaminationsstoffe auf der Waveroberfläche. Die Kontaminationsstoffe können in Form von Partikeln oder Ionen und Molekülen anderer Arten vorliegen. Die Kontaminationsstoffe können durch die Ionenquelle produziert und durch die Beamline (Strahlvorrichtung) transportiert sein, oder alternativ können sie durch Sputtern erzeugt werden, wenn energiereiche Ionen auf Oberflächen der Beamline treffen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Ionenstrahlgenerator und Implantierer bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird ein Ionenstrahlgenerator bereitgestellt, umfassend eine Ionenstrahlquelle zum Erzeugen eines Ionenstrahls, eine Beschleunigungs- /Bremssäule zum wahlweisen Beschleunigen oder Abbremsen von Ionen im Ionenstrahl auf gewünschte Energien, einen zwischen der Ionenstrahlquelle und der Beschleunigungs-/Bremssäule positionierten Quellenfilter zum Entfernen erster unerwünschter Arten aus dem Ionenstrahl, und einen stromabwärts der Beschleunigungs-/Bremssäule positionierten Massenanalysator zum Entfernen unerwünschter zweiter Arten aus dem Ionenstrahl, wobei der Quellenfilter eine verhältnismäßig geringe Auflösung und der Massenanalysator eine verhältnismäßig hohe Auflösung hat.
Der Quellenfilter kann in enger Nähe zur Ionenquelle angeordnet sein.
Der Ionenstrahlgenerator kann ferner ein Quellengehäuse umfassen, wobei die Ionenstrahlquelle und der Quellenfilter in dem Quellengehäuse angeordnet sind. Das Quellengehäuse kann ein erstes Fach umfassen, welches die Ionenstrahlquelle enthält, sowie ein zweites Fach, das den Quellenfilter enthält, und einen Übergang, der das erste und das zweite Fach verbindet. Der Ionenstrahlgenerator kann ferner eine an das erste Fach gekoppelte erste Vakuumpumpe und eine an das zweite Fach gekoppelte zweite Vakuumpumpe umfassen, wobei das erste und das zweite Fach differenziell ausgepumpt werden.
Die Ionenstrahlquelle kann eine Ionenquelle zum Erzeugen von Ionen und eine Extraktionselektrode zum Extrahieren der Ionen aus der Ionenquelle zwecks Bildung des Ionenstrahls umfassen.
Der Ionenstrahlgenerator kann ferner Mittel zum Betrieb in einem Beschleunigungsmodus umfassen, wobei die Mittel eine zwischen der Ionenquelle und der Extraktionselektrode angeschlossene Extraktionsstromversorgung zum negativen Beaufschlagen der Extraktionselektrode relativ zur Ionenquelle umfassen, sowie eine zwischen der Extraktionselektrode und Erde angeschlossene Beschleunigungsstromversorgung zum positiven Beaufschlagen der Extraktionselektrode relativer zu Erde. Der Ionenstrahlgenerator kann ferner Mittel zum Betrieb in einem Bremsmodus umfassen, wobei die Mittel eine zwischen der Ionenquelle und der Extraktionselektrode angeschlossene Extraktionsstromversorgung zum negativen Beaufschlagen der Extraktionselektrode relativ zur Ionenquelle umfassen, sowie eine zwischen der Extraktionselektrode und Erde angeschlossene Bremsstromversorgung zum positiven Beaufschlagen der Ionenquelle relativ zu Erde.
Die Beschleunigungs-/Bremssäule kann eine Terminalelektrode, eine Erdeefektrode und eine Fokuselektrode umfassen, wobei die Fokuselektrode zum Fokussieren des Ionenstrahls zwischen der Terminalelektrode und der Erdeelektrode angeordnet ist.
Die Beschleunigungs-/Bremssäule kann eine Fokuselektrode zum Fokussieren des Ionenstrahls und eine mit der Fokuselektrode gekoppelte Fokusstromversorgung umfassen. Eine durch die Fokusstromversorgung an die Fokuselektrode angelegte Fokusspannung kann einstellbar sein.
Der Quellenfilter kann einen ersten Dipolmagneten zum Ablenken der gewünschten Ionenart um ungefähr 25º und eine erste Auflösungsblende umfassen, die die gewünschte Ionenart durchläßt.
Der Massenanalysator kann einen zweiten Dipolmagneten zum Ablenken der gewünschten Ionenart um ungefähr 90º und eine zweite Auflösungsblende umfassen, die die gewünschte Ionenart durchläßt.
Der Quellenfilter kann ein Auflösungsvermögen von ungefähr 2 bis 10 aufweisen, und der Massenanalysator hat ein Auflösungsvermögen von ungefähr 80 bis 250.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Ionenimplantierer bereitgestellt, umfassend den Ionenstrahlgenerator zur Erzeugung eines Strahls energiereicher Ionen, eine Scananordnung zur Ablenkung des Strahls energiereicher Ionen zwecks Bildung eines gescannten Ionenstrahls, und eine Endstation zum Halten eines Halbleiterwavers im Weg des gescannten Ionenstrahls, wobei die Ionen im gescannten Ionenstrahl in den Halbleiterwaver implantiert werden.
Ferner wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Verfahren zum Erzeugen eines Strahls energiereicher Ionen, wobei das Verfahren umfaßt: Erzeugen eines Ionenstrahls in einer Ionenstrahlquelle, Entfernen einer ersten Gruppe unerwünschter Arten aus dem Ionenstrahl mit einem Quellenfilter, um einen gefilterten Ionenstrahl zu liefern, wahlweises Beschleunigen oder Abbremsen von Ionen im gefilterten Ionenstrahl, um einen Ionenstrahl gewünschter Energie zu liefern, und Entfernen einer zweiten Gruppe unerwünschter Arten aus dem Ionenstrahl gewünschter Energie, um den energiereichen Ionenstrahl zu liefern, wobei das Entfernen der ersten Gruppe unerwünschter Arten ein Filtern mit verhältnismäßig niedriger Auflösung und das Entfernen der zweiten Gruppe unerwünschter Arten ein Filtern mit verhältnismäßig hoher Auflösung umfaßt.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
Fig. 1 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Ionenimplantierers ist;
Fig. 2 ein Blockdiagramm des Ionenstrahlgenerators aus Fig. 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
Fig. 3 ein Blockdiagramm des Ionenimplantierers ist, das eine Konfiguration zur Strahlbeschleunigung erläutert;
Fig. 4 ein Blockdiagramm des Ionenimplantierers ist, das eine Konfiguration zur Strahlabbremsung im Anschluß an eine Extraktion aus der Ionenquelle erläutert;
Fig. 5 ein Graph des Strahlstroms als Funktion des Analysatormagnetstroms ist, um die Arten zu erläutern, die in einem Borionenstrahl des Stands der Technik vorhanden sind;
Fig. 6 ein Graph des Ionenstrahlstroms als Funktion des Analysatormagnetstroms ist, der die Arten erläutert, die in einem erfindungsgemäßen Borionenstrahl vorhanden sind;
Fig. 7 eine schematische Darstellung des Ionenstrahlgenerators zur Erläuterung der Erzeugung doppelt geladener Phosphorionen" mit dem Ionenstrahlgenerator aus Fig. 2 ist; und
Fig. 8 ein Blockdiagramm der Ionenstrahlquelle und des Quellenfilters zur Erläuterung einer differentiellen Vakuumpumpkonfiguration ist.
Ein vereinfachtes Blockdiagramm eines die vorliegende Erfindung enthaltenden Ionenimplantierers ist in Fig. 1 gezeigt. Ein Ionenstrahlgenerator 10 erzeugt einen Ionenstrahl der gewünschten Art, beschleunigt Ionen im Ionenstrahl auf gewünschte Energien, führt eine Massen/Energieanalyse des Ionenstrahls durch, um Energie- und Massenkontaminationsstoffe zu beseitigen, und liefert einen energiereichen Ionenstrahl 12 mit einer geringen Menge von Energie- und Massenkontaminationsstoffen. Der Ionenstrahlgenerator 10 ist nachfolgend im Detail beschrieben. Ein Scansystem 16, welches beispielsweise einen Scanner 20 und einen Winkelkorrektor 24 enthalten kann, lenkt den Ionenstrahl 12 ab, um einen gescannten Ionenstrahl 30 zu erzeugen. Eine Endstation 32 hält einen Halbleiterwaver 34 oder ein anderes Werkstück derart in den Weg des gescannten Ionenstrahls 30, daß Ionen der gewünschten Arten in den Halbleiterwaver 34 implantiert werden. Der Ionenimplantierer kann weitere, dem Fachmann wohlbekannte Komponenten umfassen. Beispielsweise enthält die Endstation 32 typischerweise Geräte zur automatischen Waverhandhabung, um Waver in den Ionenimplantierer einzusetzen und Waver nach der Implantierung zu entfernen, ein Dosismeßsystem, eine Elektronenflußkanone etc. Es versteht sich, daß der gesamte vom Ionenstrahl durchquerte Weg während der Ionenimplantierung evakuiert ist.
Ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des Ionenstrahlgenerators 10 ist in Fig. 2 gezeigt. Die Hauptkomponenten des Ionenstrahlgenerators 10 umfassen eine Ionenstrahlquelle 40, einen Quellenfilter 42, eine Beschleunigungs-/Bremssäule 44 und einen Massenanalysator 50. Der Quellenfilter 42 ist vorzugsweise in enger Nähe zur Ionenstrahlquelle 40 positioniert. Die Beschleunigungs-/Bremssäule 44 ist zwischen dem Quellenfilter 42 und dem Massenanalysator 50 positioniert.
Die Ionenstrahlquelle 40 umfaßt eine Ionenquelle 60 und eine Extraktionselektrode 62 zum Extrahieren eines Ionenstrahls 66 aus der Ionenquelle 60. Die Quelle 40 kann eine Bremselektrode 64 enthalten. In einem Beispiel der Ionenstrahlquelle 40 werden Ionen aus der Ionenquelle 60 durch die Extraktionselektrode 62 auf Energien von ungefähr 20 bis 80 keV beschleunigt. Die Konstruktion und der Betrieb von Ionenstrahlquellen sind dem Fachmann wohlbekannt.
Der Quellenfilter 42 enthält einen Dipolmagneten 70 und eine Maske 72 mit einer Auflösungsblende 73. Der Quellenfilter 42 ist in einem Terminal 74 mit der Ionenstrahlquelle 40 aufgenommen. Der Terminal 74 wird auf dem Potential der Extraktionselektrode 62 gehalten. Der Dipolmagnet 70 ist ein kompaktes ionenoptisches Element, welches den geladenen Teilchenstrahl unmittelbar nach Extraktion aus der Ionenstrahlquelle 40 um einen gewünschten Winkel ablenkt, typischerweise 25º. Eine Pollücke zwischen den Polen des Dipolmagneten 70 ist verhältnismäßig klein, beispielsweise ungefähr 30 mm, was die Gesamtgröße des Magneten verringert. Die kleine Pollücke wird dadurch möglich, daß der Magnet sehr nah an der Ionenstrahlquelle 40 positioniert ist, so daß sich der Strahl größenmäßig nicht wesentlich aufweitet, bevor er den Dipolmagneten 70 erreicht.
Ionen der gewünschten Masse und Energie werden vom Dipolmagneten 70 derart abgelenkt, daß sie durch die Auflösungsblende 73 hindurchfliegen. Unerwünschte Ionen mit anderen Massen und Energien werden um andere Beträge abgelenkt und von der Maske 72 abgefangen. Somit läßt der Quellenfilter 42 erwünschte Ionen durch und entfernt unerwünschte Ionen. Der Quellenfilter 42 kann auf Ionen einer erwünschten Art eingestellt werden, indem man den der Magnetspule des Dipolmagneten 70 zugeführten Strom derart anpaßt, daß die erwünschten Ionen durch die Auflösungsblende 73 hindurchgelangen. Wie unten diskutiert hat der Quellenfilter 42 vorzugsweise eine verhältnismäßig geringe Auflösung.
Der Dipolmagnet 70 fokussiert den Ionenstrahl nicht. Statt dessen ist er speziell dazu ausgelegt, seinen Einfluß auf die Strahleinhüllende zu minimieren und hierdurch einen einfachen Driftraum zu emulieren, abgesehen von der 25º-Ablenkung des Ionenstrahls. Durch das Nicht-Fokussieren des Strahls ist die Leistungsdichte des abgewiesenen Strahls an der Auflösungsblende 73 stark verringert. Dies minimiert die Erosion der Maske 72 sowie die Teilchenerzeugung durch Erosion und die Kreuzkontamination durch Sputtern.
Der Quellenfilter 42, dessen Auflösungsblende 73 nahe einem Ausgang 76 des Terminals 74 positioniert ist, ist derart ausgelegt, daß er ein verhältnismäßig geringes Auflösungsvermögen hat. Vorzugsweise hat der Quellenfilter 42 ein Auflösungsvermögen, wie es unten definiert ist, in einem Bereich von ungefähr 2 bis 10 und hat in einer bevorzugten Ausführungsform ein Auflösungsvermögen von ungefähr 4. Bei dem Auflösungsvermögen von 4 weist der Massenanalysator 42 Ionen mit einer normierten Starrheit größer als 1,25 oder kleiner als 0,75 ab. Das Auflösungsvermögen und die normierte Starrheit sind unten definiert.
In einem magnetischen Dipolfeld folgt ein Ion einem Weg, der durch seine magnetische Starrheit (Br) bestimmt ist, welche gleich seinem Impuls (p) geteilt durch seine Ladung (q) ist. Diese wiederum hängen zusammen mit der Ionenmasse (m), der Energie in Elektronenvolt (E), dem Ladungszustand (n) und der Elektronenladung (e):
Br = p/q = (für nichtrelativistische Ionen)
Die Fähigkeit eines Magneten zu verhindern, daß Ionen unerwünschter Starrheit durch die zugeordnete Auflösungsblende transmittiert werden, wird durch seine Auflösung charakterisiert. Obwohl Auflösung häufig als Funktion von Masse oder Impuls definiert wird, wird Auflösung hier als Funktion der Starrheit definiert.
Auflösungsvermögen = Rp = Bro/(ΔBr)kritisch
wobei (ΔBr)kritisch der Betrag ist, um den sich die Starrheit eines Ions ändern muß, bis es nicht transmittiert wird, wenn das System auf Ionen mit der Starrheit Bro eingestellt ist.
Dies erlaubt uns die Definition eines einfacheren Kriteriums zur Bestimmung, ob ein Ion durch einen Dipolmagneten transmittiert wird. Definieren wir die normierte Starrheit eines Ions als die Starrheit des Ions (Br) dividiert durch die Starrheit der benötigten Ionen (Bro).
wobei sich der Index o auf das benötigte Ion bezieht. Ein Ion wird somit nur dann durch das Analysesystem transmittiert, wenn
ΔBr ≤ (ΔBr)kritisch oder, nützlicher ausgedrückt
Im Beispiel von Fig. 2 umfaßt die Beschleunigungs-/Bremssäule 44 eine Terminalelektrode 100, eine Erdeelektrode 102 und eine Fokuselektrode 104, die zwischen den Elektroden 100 und 102 angeordnet ist. Die Terminalelektrode 100 und die Fokuselektrode 104 sind durch eine Lücke 106 beabstandet; und die Fokuselektrode 104 und die Erdeelektrode 102 sind durch eine Lücke 108 beabstandet. Die Elektrode 102 befindet sich auf Erdepotential, vorzugsweise der gleichen Spannung wie der Waver 34 (Fig. 1). Die Terminalelektrode 100 ist auf dem gleichen Potential wie der Terminal 74. Die Fokuselektrode 104 ist auf einem durch eine Fokusstromversorgung 132 (Fig. 3) festgelegten Potential.
Die Beschleunigungs-/Bremssäule 44 hat zwei Hauptfunktionen. Die erste besteht darin, die Ionen im Ionenstrahl von der Extraktion auf die Endenergie zu beschleunigen oder abzubremsen. Die Endenergie ist in der unten beschriebenen Weise durch die Extraktionsspannung und die Beschleunigungs- und/oder Bremsspannung bestimmt. Die zweite Funktion besteht darin, sicherzustellen, daß alle Strahlen unabhängig von Strahlstrom und -Energie beim Eintritt in den Massenanalysator 50 die gleiche Optik haben. Die an die Elektrode 104 angelegte Fokusspannung steuert die Strahloptik. Allgemein bewirkt eine negativere Fokusspannung bezüglich des Terminals 74 einen weniger divergenten Strahl und einen virtuellen Objektpunkt, der weiter vom Massenanalysator 50 entfernt ist. Umgekehrt bewirkt eine weniger negative Fokusspannung einen divergenteren Strahl und einen virtuellen Objektpunkt, der näher beim Massenanalysator 50 liegt. Die Fokusspannung hat keine Auswirkung auf die Endenergie des die Beschleunigungs-/Bremssäule 44 verlassenden Strahls.
Die Gesetze, die die Physik der Ionenstrahlextraktion aus einer Ionenquelle bestimmen, machen es schwierig, große Mengen nutzbarer Strahlströme bei niedrigen Extraktionsspannungen zu extrahieren. Beispielsweise ist der mit 5 kV Extraktionsspannung extrahierte nutzbare Strahlstrom wesentlich geringer als bei 40 kV Extraktionsspannung. Um diese Beschränkung zu überwinden, ist der erfindungsgemäße Ionenstrahlgenerator dazu ausgelegt, es der Beschleunigungs- /Bremssäule 44 zu ermöglichen, den Ionenstrahl entweder zu beschleunigen oder abzubremsen und hierdurch die Verwendung einer ausreichend hohen Extraktionsspannung unabhängig von der am Target benötigten Endenergie zu ermöglichen. Vorzugsweise liegt die Extraktionsspannung in einem Bereich von ungefähr 20 kV bis 80 kV und beträgt typischerweise ungefähr 40 kV, was bei allen Energie die Extraktion ausreichender Mengen nutzbaren Strahlstroms ermöglicht. Höhere oder niedrigere Extraktionsspannungen können im Umfang der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
In Fig. 3 ist eine Konfiguration zum Betrieb des Ionenstrahlgenerators 10 in einem Beschleunigungsmodus gezeigt. Ähnliche. Elemente in den Fig. 1 bis 3 haben die gleichen Bezugszeichen. Die Erdeelektrode 102 der Beschleunigungs-/Bremssäule 44 ist an eine Erdeebene 120 angeschlossen. Der Terminal 74, der die Extraktionselektrode 62 (Fig. 2) enthält, ist auf einem Terminalpotential. Eine Extraktionsstromversorgung 124 ist zwischen dem Terminal 74 und der Ionenquelle 60 derart angeschlossen, daß sie den Terminal 74 und die Extraktionselektrode 62 mit einer negativen Spannung Vx bezüglich der Ionenquelle 60 beaufschlagt. Eine Beschleunigungsstromversorgung 130 ist zwischen dem Terminal 74 und der Erdeebene 120 derart angeschlossen, daß sie den Terminal 74 mit einer positiven Spannung Va bezüglich Erde beaufschlagt. Eine Fokusstromversorgung 132 ist zwischen dem Terminal 74 und der Fokuselektrode 104 derart angeschlossen, daß sie die Fokuselektrode 104 mit einer negativen Spannung Vf bezüglich des Terminals 74 beaufschlagt.
Der Waver 34 ist auf Erdpotential. Daher ist die Implantierungsenergie für einfach geladene Ionen durch das Potential der Ionenquelle 60 gegeben, welches gleich der Beschleunigungsspannung plus der Extraktionsspannung ist (Va + Vx). Die Energie des Strahls im Terminal beträgt Vx Elektronenvolt. Wenn der Strahl die Beschleunigungs-/Bremssäule 44 durchläuft, gewinnt er Va Elektronenvolt. Die Fokusspannung Vf beeinträchtigt die Fokussierung des Strahls durch Änderung seiner Energie nur in der Mitte der Säule 44. Die Fokusspannung hat keine Auswirkung auf die Endenergie.
Eine Konfiguration zum Betrieb des Ionenstrahlgenerators 10 in einem Bremsmodus ist in Fig. 4 gezeigt. Gleiche Elemente in den Fig. 1 bis 4 haben die gleichen Bezugszeichen. Die Extraktionsstromversorgung 124 und die Fokusstromversorgung 132 sind in der gleichen Weise angeschlossen wie oben mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben. Eine Bremsstromversorgung 140 ist zwischen der Ionenquelle 60 und der Erdeebene 120 derart angeschlossen, daß die Ionenquelle 60 mit einer positiven Spannung Vd bezüglich der Erdeebene beaufschlagt wird. Somit ist das Potential der Ionenquelle 60 gleich der Bremsspannung Vd. Die Extraktionsstromversorgung 124 beaufschlagt den Terminal 74 negativ bezüglich der Ionenquelle 60 und mit einem Potential Vd - Vx bezüglich Erde. Die Energie des Strahls im Terminal 74 beträgt Vx Elektronenvolt, die gleiche wie im Fall des Beschleunigungsmodus. Wenn der Strahl jedoch die Beschleunigungs-/Bremssäule 44 durchläuft, verliert er Vx - Vd Elektronenvolt, um eine Endimplantierungsenergie von Vd Elektronenvolt zu haben.
Wieder mit Bezug auf Fig. 2 enthält der Massenanalysator 50 einen Analysatordipolmagneten 160 und eine Maske 162 mit einer Auflösungsblende 163. Der Dipolmagnet 160 lenkt erwünschte Ionen im Ionenstrahl um 90º ab, so daß der Strahl 12 durch die Auflösungsblende 163 hindurchfliegt. Unerwünschte Partikel werden um andere Winkel als 90º abgelenkt und durch die Maske 162 abgefangen.
Der Massenanalysator 50, der auf die Beschleunigungs-/Bremssäule 44 folgt, ist auf Erdpotential. Der Dipolmagnet 160 bringt den Strahl bei der Endenergie auf einen Fokus bei der Auflösungsblende 163. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Maske 162 rotierende Massenschlitze umfassen, wie es im US-Patent No.
5,629,528 vom 13. Mai 1997 von Jost et al. offenbart ist. Der Massenanalysator 50 hat vorzugsweise ein Auflösungsvermögen, wie es oben definiert wurde, in einem Bereich von ungefähr 80 bis 250, und hat in einer bevorzugten Ausführungsform ein Auflösungsvermögen von ungefähr 170. Mit einem Auflösungsvermögen von 170 weist der Massenanalysator 50 Ionen mit einer normierten Starrheit größer als 1,006 oder kleiner als 0,994 zurück.
Nun werden Beispiele für den Betrieb des Ionenstrahlgenerators von Fig. 2 gegeben. In einem ersten Beispiel wird Bor in einem Halbleiterwaver 34 unter Verwendung von BF&sub3; als Quellengas implantiert. Das gewünschte Ion ist ¹¹B&spplus;. Die anderen von der Quelle erzeugten Haupt-Ionen sind zusammen mit ihren normierten Starrheiten nach der Extraktion in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1
Man kann beobachten, daß nur das benötigte ¹¹B&spplus; und sein Isotop ¹&sup0;B&spplus; die Quellenfiltertransmissionsbedingung 0,75 > Brnorm < 1,25 erfüllen. Alle anderen Ionen werden abgewiesen. Dieses Beispiel ist in den Fig. 5 und 6 erläutert.
Fig. 5 zeigt Bestandteile des in den Massenanalysator eintretenden Strahls bei einem Ionenimplantierer des Stands der Technik ohne Quellenfilter. Die Bestandteile des Strahls werden identifiziert, indem man den transmittierten Strahlstrom als Funktion des Magnetspulenstroms aufträgt, wobei der letztere variiert wird. Bei der Konfiguration des Stands der Technik sind in dem in den Massenanalysator eingegebenen Strahl die zwei Borisotope und all ihre Fluorid-Derivate vorhanden.
Fig. 6 zeigt die Bestandteile des Strahls im Ionenstrahlgenerator von Fig. 2. Der Quellenfilter 42 hat aus dem BF&sub3;-Quellenstrahl alles außer den Borisotopen ¹¹B&spplus; und ¹&sup0;B&spplus; entfernt. Dies erfolgt vor der Beschleunigung durch die Beschleunigungs- /Bremssäule 44.
Abgesehen von den benötigten ¹¹B&spplus;-Ionen werden nur ¹&sup0;B&spplus;-Ionen von der Säule 44 auf die Endenergie beschleunigt. Der Massenanalysator 50 verhindert dann, daß ¹&sup0;B&spplus;-Ionen durch die Auflösungsblende 163 transmittiert werden. Die normierte Starrheit von ¹&sup0;B&spplus;-Ionen beträgt 0,953, was für eine Transmission durch den Massenanalysator 50 zu gering ist. Da nur ¹&sup0;B&spplus;-Ionen bei der Endenergie entfernt werden, besteht ein wesentlich geringeres Risiko für ein Sputtern und eine Partikelkontamination. Alle anderen Quellenprodukte werden durch den Quellenfilter 42 bei niedriger Energie und in großem Abstand vom Waver 34 entfernt, bevor der Strahl auch nur das Quellengehäuse verläßt.
Ein zweites Beispiel betrifft die Implantierung von P&spplus;&spplus;-Ionen unter Verwendung von PH&sub3; als Quellenversorgungsgas. Das erwünschte Ion ist ³¹P&spplus;&spplus;. Die anderen von der Quelle erzeugten Haupt-Ionen und ihre normierten Starrheiten sind in der nachfolgenden Tabelle 2 gezeigt. Es wird angenommen, daß die Extraktionsspannung 70 kV beträgt. Tabelle 2
Die letzte Spalte in Tabelle 2 betrifft molekulares P&sub2;&spplus;, welches nach der Extraktion aufbrechen kann unter Bildung von P&sub0; und P&spplus;, welche beide ungefähr die halbe Energie des ursprünglichen Moleküls erhalten.
Im Anschluß an den Quellenfilter 42 wird der Strahl durch die Säule 44 beschleunigt. Wenn beispielsweise die Beschleunigungsspannung 150 kV beträgt, so sind die Starrheiten derjenigen Ionen, die nicht durch den Quellenfilter 42 abgewiesen wurden, wie in der nachfolgenden Tabelle 3: Tabelle 3
Nur die benötigten P&spplus;&spplus;-Ionen erfüllen die Starrheits-Transmissionsanforderung des Massenanalysators 50 und werden zum Waver transmittiert.
Zusammenfassend entfernt der Quellenfilter 42 dimere Ionen, die nicht zerbrochen sind, bis sie ihn erreicht haben, und der Massenanalysator 50 entfernt diejenigen Ionen, die vor Erreichen des Quellenfilters 42 auseinandergebrochen sind. Es ist die Wirkung des Beschleunigungssystems, die es dem Massenanalysator 50 ermöglicht, die früh aufgebrochenen dimeren Ionen vom benötigten Strahl zu unterscheiden. Ohne die Analyse sowohl vor als auch nach der Beschleunigung würden dimere Bruch-Kontaminationsstoffe nicht durch magnetische Analyse entfernt werden.
Die kombinierte Wirkung des Quellenfilters 42, der Beschleunigungs-/Bremssäule 44 und des Massenanalysators 50 beim Entfernen aller Kontaminationsstoffe für dieses Beispiel ist im vereinfachten schematischen Diagramm von Fig. 7 erläutert.
Das dimere Ion P&sub2;&spplus;, das nicht dissoziiert ist, wird vor dem Beschleunigen durch den Quellenfilter 42 entfernt. Das P&spplus;-Produkt des P&sub2;&spplus;-Ionen-Auseinanderbrechens wird nach dem Beschleunigen durch den Massenanalysator 50 entfernt. Würde der Quellenfilter 42 nicht verwendet, so wären die P&sub2;&spplus;-Ionen im Strahl nach der Beschleunigung weiterhin vorhanden und könnten vor der Analyse auseinanderbrechen und zum Waver transmittiert werden.
Ein Blockdiagramm einer geeigneten Konfiguration des Terminals 74 ist in Fig. 8 gezeigt. Der Terminal 74 umfaßt ein Quellengehäuse 200, welches elektrisch mit der Extraktionselektrode 62 verbunden ist. Der Druck im Bereich der Ionenstrahlquelle 40 ist aufgrund von Nebenprodukten beim Ionenerzeugungsprozeß verhältnismäßig hoch. Es ist wünschenswert, das im Bereich der Ionenstrahlquelle 40 erzeugte Gas davon abzuhalten, sich stromabwärts in der Strahlrichtung zum Waver 34 hin auszubreiten. In einer bevorzugten Konfiguration umfaßt das Quellengehäuse 200 ein erstes Fach 210, das die Ionenstrahlquelle 40 enthält, sowie ein zweites Fach 212, das den Quellenfilter 42 enthält. Die Fächer 210 und 212 sind durch eine Wand 216 mit einer Öffnung 218 getrennt, deren Durchmesser im Bereich von ungefähr 20 mm liegen kann, um den Ionenstrahl von der Ionenstrahlquelle 40 zum Quellenfilter 42 durchzulassen. Der Ionenstrahl tritt durch die Blende 76 aus dem Fach 212 aus. Das erste Fach 210 ist mittels einer geeigneten Leitung an eine Vakuumpumpe 220 angeschlossen, und das zweite Fach 212 ist mittels einer geeigneten Leitung an eine Vakuumpumpe 222 angeschlossen. Die Konfiguration der Fig. 8 bewirkt ein differenzielles Vakuumpumpen der Fächer 210 und 212, so daß der Druck im Fach 212 kleiner als der Druck im Fach 210 ist, und die Gasmenge, die durch die Blende 76 entweicht, verhältnismäßig gering ist.
Während die nach momentaner Auffassung bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, wird es Fachleuten klar sein, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Ionenstrahlgenerator, umfassend:

eine Ionenstrahlquelle (40) zum Erzeugen eines Ionenstrahls (66);

eine Beschleunigungs-/Bremssäule (44) zum wahlweisen Beschleunigen oder Abbremsen von Ionen im Ionenstrahl auf gewünschte Energien;

einen zwischen der Ionenstrahlquelle und der Beschleunigungs-/Bremssäule positionierten Quellenfilter (42) zum Entfernen erster unerwünschter Arten aus dem Ionenstrahl; und

einen stromabwärts der Beschleunigungs-/Bremssäule positionierten Massenanalysator (50) zum Entfernen unerwünschter zweiter Arten aus dem Ionenstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß der Quellenfilter (42) eine verhältnismäßig geringe Auflösung und der Massenanalysator (50) eine verhältnismäßig hohe Auflösung hat.

2. Ionenstrahlgenerator nach Anspruch 1, wobei der Quellenfilter (42) in enger Nähe zu der Ionenstrahlquelle (40) angeordnet ist.

3. Ionenstrahlgenerator nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend ein Quellengehäuse (200), wobei die Ionenstrahlquelle (40) und der Quellenfilter (42) in dem Quellengehäuse angeordnet sind.

4. Ionenstrahlgenerator nach Anspruch 3, wobei das Quellengehäuse (200) ein die Ionenstrahlquelle (40) enthaltendes erstes Fach (210) und ein den Quellenfilter (42) enthaltendes zweites Fach (212) und einen Übergang (218) umfaßt, der das erste und das zweite Fach miteinander verbindet.

5. Ionenstrahlgenerator nach Anspruch 4, ferner umfassend eine mit dem ersten Fach (210) gekoppelte erste Vakuumpumpe (220) und eine mit dem zweiten Fach (212) gekoppelte zweite Vakuumpumpe (222), wobei das erste und das zweite Fach differenziell ausgepumpt werden.

6. Ionenstrahlgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ionenstrahlquelle (42) eine Ionenquelle (60) zum Erzeugen von Ionen und eine Extraktionselektrode (62) zum Extrahieren der Ionen aus der Ionenquelle zwecks Bildung des Ionenstrahls (66) umfaßt.

7. Ionenstrahlquelle nach Anspruch 6, ferner umfassend Mittel zum Betrieb in einem Beschleunigungsmodus, wobei die Mittel eine zwischen der Ionenquelle (60) und der Extraktionselektrode (62) angeschlossene Extraktionsstromversorgung (124) zum negativen Beaufschlagen der Extraktionselektrode relativ zur Ionenquelle umfassen, sowie eine zwischen der Extraktionselektrode und Erde angeschlossene Beschleunigungsstromversorgung (130) zum positiven Beaufschlagen der Extraktionselektrode relativer zu Erde.

8. Ionenstrahlgenerator nach Anspruch 6 oder 7, ferner umfassend Mittel zum Betrieb in einem Bremsmodus, wobei die Mittel eine zwischen der Ionenquelle (60) und der Extraktionselektrode (62) angeschlossene Extraktionsstromversorgung (124) zum negativen Beaufschlagen der Extraktionselektrode relativ zur Ionenquelle umfassen, sowie eine zwischen der Extraktionselektrode und Erde angeschlossene Bremsstromversorgung (140) zum positiven Beaufschlagen der Ionenquelle relativer zu Erde.

9. Ionenstrahlgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschleunigungs-/Bremssäule (44) eine Terminalelektrode (100), eine Erdeelektrode (102) und eine Fokuselektrode (104) umfaßt, wobei die Fokuselektrode zum Fokussieren des Ionenstrahls (66) zwischen der Terminalelektrode und der Erdeelektrode angeordnet ist.

10. Ionenstrahlgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Beschleunigungs-/Bremssäule (44) eine Fokuselektrode (104) zum Fokussieren des Ionenstrahls (66) und eine an die Fokuselektrode angeschlossene Fokusstromversorgung (132) umfaßt.

11. Ionenstrahlgenerator nach Anspruch 10, wobei eine durch die Fokusstromversorgung (132) an die Fokuselektrode (104) angelegte Fokusspannung (Vf) einstellbar ist.

12. Ionenstrahlgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Quellenfilter (42) einen ersten Dipolmagneten (70) zum Ablenken der gewünschten Ionenart um ungefähr 25º sowie eine erste Auflösungsblende (73) umfaßt, die die gewünschte Ionenart durchläßt.

13. Ionenstrahlgenerator nach Anspruch 12, wobei der Massenanalysator (50) einen zweiten Dipolmagneten (160) zum Ablenken der gewünschten Ionenart um ungefähr 90º sowie eine zweite Auflösungsblende (163) umfaßt, die die gewünschte Ionenart durchläßt.

14. Ionenstrahlgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Quellenfilter (42) ein Auflösungsvermögen von ungefähr 2 bis 10 hat, und der Massenanalysator ein Auflösungsvermögen von ungefähr 80 bis 250 hat.

15. Ionenimplantierer, umfassend:

einen Ionenstrahlgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erzeugung eines Strahls (12) energiereicher Ionen;

eine Scananordnung (16) zur Ablenkung des Strahls energiereicher Ionen zwecks Bildung eines gescannten Ionenstrahls (30); und

eine Endstation (32) zum Halten eines Halbleiterwavers (34) im Weg des gescannten Ionenstrahls, wobei die Ionen im gescannten Ionenstrahl in den Halbleiterwaver implantiert werden.

16. Verfahren zum Erzeugen eines Strahls (12) energiereicher Ionen, wobei das Verfahren umfaßt:

Erzeugen eines Ionenstrahls (66) in einer Ionenstrahlquelle (40);

Entfernen einer ersten Gruppe unerwünschter Arten aus dem Ionenstrahl mit einem Quellenfilter, um einen gefilterten Ionenstrahl zu liefern;

wahlweises Beschleunigen oder Abbremsen von Ionen im gefilterten Ionenstrahl, um einen Ionenstrahl gewünschter Energie zu liefern; und

Entfernen einer zweiten Gruppe unerwünschter Arten aus dem Ionenstrahl gewünschter Energie, um den energiereichen Ionenstrahl zu liefern,

dadurch gekennzeichnet, daß das Entfernen der ersten Gruppe unerwünschter Arten ein Filtern mit verhältnismäßig niedriger Auflösung und das Entfernen der zweiten Gruppe unerwünschter Arten ein Filtern mit verhältnismäßig hoher Auflösung umfaßt.