-
Gebiet der
Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Plasmaerzeugungsquelle für Ionenimplantierausrüstung und
insbesondere auf ein ringförmiges Filament
zur Verwendung in solchen Quellen.
-
Ausgangspunkt
-
Die Ionenimplantierung hat sich zu
einer akzeptierten Standardtechnologie der Industrie zum Dotieren
von Werkstücken,
wie beispielsweise Siliziumwafern oder Glassubstraten mit Verunreinigungen bei
der Massenfertigung solcher Gegenstände, wie beispielsweise integrierter
Schaltungen und Flachbildschirmen entwickelt. Herkömmliche
lonenimplantiersysteme umfassen eine lonenquelle, die ein erwünschtes
Dotierelement ionisiert, das dann zur Bildung eines lonenstrahls
mit vorgeschriebener Energie beschleunigt wird. Der lonenstrahl
wird auf die Oberfläche
des zu implantierenden Werkstücks
gerichtet, um das Werkstück
mit dem Dotierelement zu implantieren. Die energetischen Ionen des
lonenstrahls dringen in die Oberfläche des Werkstücks ein, so
dass sie in die Kristallstruktur bzw. das Kristallgitter des Werkstückmaterials
eingebettet werden, um einen Bereich mit gewünschter Leitfähigkeit
zu bilden. Der Implantiervorgang wird typischerweise in einer Hochvakuumprozesskammer
durchgeführt,
welche eine Dispersion des Ionenstrahls durch Kollision mit Restgasmolekülen verhindert
und was das Risiko einer Kontamination des Werkstücks durch
schwebende Partikel minimiert.
-
Ionisiertes Plasma wird in einem
typischen Ionenimplantierer in wenigstens zwei unterschiedlichen
Orten erzeugt. Zunächst
erzeugt an einem vorderen Ende eines Ionenimplantierers eine lonenquelle
ein Plasma aus dem ein lonenstrahl extrahiert werden kann durch
Ionisieren eines inerten Gases. Ein Beispiel einer solchen Ionenquelle
ist in dem U.S. Patent Nr. 5,497,006 von Sferlazzo et al., das dem
Anmelder der vorliegenden Anmeldung zugewiesen ist, gezeigt.
-
Ein vereinfachtes Diagramm einer
lonenquelle ist in 1 gezeigt.
Ein Gas, wie beispielsweise Bor oder Phosphor, wird in eine Bogenkammer
AC über
einen Ein lass I eingelassen und einem erregten Filament F ausgesetzt.
Das Filament emittiert Hochenergieelektronen E, welche durch einen
Reflektor bzw. eine Reflektionselektrode R reflektiert werden, um
die Elektronen in einem Ionisierungsbereich zwischen dem Filament
und dem Reflektor einzuschließen.
Die umgelenkten Elektronen E kollidieren mit ionisierbaren Gasmolekülen in dem
Ionisierungsbereich, in dem die Wahrscheinlichkeit einer Kollision mit
ionisierbaren Gasmolekülen
maximiert wird. Auf diese Art und Weise wird ein Plasma erzeugt,
das wenigstens teilweise aus positiv geladenen Ionen besteht. Ein
im Allgemeinen positiv geladener lonenstrahl wird aus diesem Plasma
abgezogen, und zwar typischerweise über eine Quellenapertur bzw. Öffnung SA
in der Bogenkammer.
-
Zusätzlich zu dem Reflektor umfasst
eine typische lonenquelle auch Quellenmagneten, wie in 1 dargestellt ist (Leistungsversorgungen
sind nicht gezeigt). Die Quellenmagneten SM erzeugen ein Magnetfeld über die
Bogenkammer AC hinweg. Das Magnetfeld verändert den Spiralpfad P der
Elektronen E, die durch das Filament F emittiert werden und sich
durch die Bogenkammer bewegen, und zwar in einer Art und Weise,
wie es in der Technik bekannt ist, um dadurch die Wahrscheinlichkeit
einer Kollision mit ionisierbaren Gasmolekülen zu erhöhen, die durch den Einlass
I vorgesehen werden und durch das Filament F und den Reflektor R
eingeschlossen sind. Der Quellenmagnet-SM-Strom wird eingestellt
zum Maximieren eines Ionenstrahlstroms und einer Strahlqualität. Demgemäß beschränken die
Quellenmagneten SM und der Reflektor R die Hochenergieelektronen,
die durch das Filament emittiert werden auf den Ionisierungsbereich.
-
Ferner wird ein Plasma stromabwärts in dem Implantierer
in einer Plasmadusche erzeugt. Die Plasmadusche dient zum Entgegenwirken
der Effekte einer Waferaufladung welche der positiv geladene lonenstrahl
ansonsten bei einem implantierten Wafer bewirken würde. Ein
solches System ist in U.S. Patent Nr. 4,804,837 von Farley, das
dem Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen ist, gezeigt.
-
Ein vereinfachtes Diagramm einer
typischen Plasmadusche ist in 2 dargestellt.
Die Plasmadusche weist eine Bogenkammer AC auf, in die ein inertes
Gas, wie beispielsweise Argon, über
einen Einlass I eingelassen wird und einem erreg ten Filament F ausgesetzt
wird. Das Filament emittiert Hochenergieelektronen E, welche die
inerten Gasmoleküle
ionisieren zum Erzeugen eines Plasmas innerhalb der Bogenkammer.
Das Plasma diffundiert durch die Öffnung A in den Pfad des lonenstrahls
B der durch eine Vakuumkammer VC hindurchgeht. Das Plasma hilft
beim Neutralisieren der Nettoladung des Strahls, was wiederum die
positive Ladungsansammlung an dem Wafer reduziert, während der
lonenstrahl auf die Waferoberfläche
auftrifft.
-
Die Verwendung eines Reflektors bzw.
einer Reflektionselektrode und eines Quellenmagnets in einer lonenquelle
resultiert jedoch in einer erhöhten Komplexität, Kosten,
Größe und Leistungsverbrauch dieser
Einrichtungen. Ferner erzeugen Quellenmagnete elektrisches Rauschen,
das das Plasma innerhalb der lonenquelle stören kann. Zusätzlich erzeugen
Filamente in bekannten Plasmaduschen kein Plasma mit ausreichend
hoher Dichte in Folge des Fehlens eines Einschlussmechanismus für die Hochenergieelektronen
E, welche durch das Filament F emittiert werden. Darüber hinaus
haben Versuche beim Erhöhen
der Plasmadichte typischerweise bewirkt, dass das Filament F erhebliche
Energiemengen verbraucht.
-
Demgemäß ist es ein Ziel der bevorzugten Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung, ein Filament zur Verwendung in einer
Plasmaerzeugungsquelle in einem Ionenimplantierer, wie beispielsweise
einer lonenquelle oder einer Plasmadusche, vorzusehen das ein rauschfreies,
hochdichtes Plasma vorsieht, während
es die Nachteile bekannter Ionen- oder Plasmaerzeugungsquellen überwindet. Es
ist ein weiteres Ziel, einen einfachen, energieeffizienten, ökonomischen
und kompakten Mechanismus für
einen primären
Elektroneneinschluss in einer lonenquelle oder Plasmadusche zum
Vorsehen eines hochdichten, rauschfreien Plasmas vorzusehen.
-
Die Erfindung
-
Aspekte der Erfindung sind in den
anhängenden
Ansprüchen
dargestellt.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
1 ist
eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen lonenquelle für einen
Ionenimplantierer;
-
2 ist
eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Plasmadusche für einen
Ionenimplantierer;
-
3 ist
eine Querschnittsansicht einer lonenquelle für einen Ionenimplantierer unter
Verwendung des Filaments eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung;
-
4 ist
eine Querschnittsansicht einer Plasmadusche für einen Ionenimplantierer unter
Verwendung des Filaments eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung;
-
5 ist
eine perspektivische teilweise Querschnittsansicht des Filaments,
das in der lonenquelle gemäß 3 und der Plasmadusche gemäß 4 gezeigt ist;
-
6 ist
eine perspektivische Ansicht des Filament gemäß 5 entlang der Linie 6-6; und
-
7 ist
eine teilweise Querschnittsansicht des Filaments gemäß 5 entlang der Linie 7-7.
-
Detaillierte
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
der Erfindung
-
In 3 der
Zeichnungen ist ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung gezeigt, wobei die Erfindung in einer lonenquelle 10 beinhaltet
ist. Die lonenquelle weist eine Bogenkammer 12 auf, die
durch Wände 14 gebildet
ist. Ein ionisierbares Gas, wie beispielsweise Bor oder Phosphor,
wird in die Bogenkammer 12 über den Einlass 16 eingelassen
und einem Filament 18 ausgesetzt, das gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Das Filament wird über eine
Leistungsversorgung (nicht gezeigt) erregt, welche eine Spannung über die
Filamentschenkel 20 hinweg anlegt zum Erzeugen eines Stromflusses
darinnen. Das Filament emittiert dadurch thermionisch Hochenergieelektronen
E, welche das Gas ionisieren, was ein Plasma erzeugt, welches aus
der Bogenkammer über
die Austrittsapertur bzw. -öffnung 22 austritt.
Die allgemeine Form des Filaments ist eine Spule, die in die Form
einer geschlossenen Schleife gebildet ist, was, wie nachfolgend
näher erläutert wird,
Hochenergieelektronen E innerhalb der Spule einschließt, was
effektiv die Notwendigkeit für
einen Reflektor oder Quellenmagneten eliminiert, wie bei der lonenquelle
des Standes der Technik gemäß 1 gezeigt ist.
-
In 4 der
Zeichnungen ist ein zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung gezeigt, wobei die Erfindung in einer Plasmadusche 30 beinhaltet
ist. Die Plasmadusche weist eine Bogenkammer 32 auf, die
durch Wände 33 gebildet
wird, in die ein inertes Gas, wie beispielsweise Argon eingelassen
wird über den
Einlass 34 und dem erregten Filament 18 ausgesetzt
wird. Das Filament emittiert Hochenergieelektronen E, welche innerhalb
des Einschlusses der Spule bzw. Windungen des Filaments mit geschlossener
Schleife eingefangen sind. Die Hochenergieelektronen E kollidieren
mit ionisierbaren Gasmolekülen
zum Erzeugen eines Plasmas, das wenigstens teilweise aus Niedrigenergieelektronen
e aufgebaut ist. Die Niedrigenergieelektronen bewegen sich von der
Bogenkammer 32 durch die Austrittsapertur 38 zu
einer benachbarten Vakuumkammer 36, in der sie innerhalb
des lonenstrahls B eingefangen werden, der sich dorthindurch bewegt.
Wiederum ist die allgemeine Form des Filaments eine geschlossene Schleife,
die wie nachfolgend näher
erläutert
wird, Hochenergieelektronen E darinnen einschließt, was die Erzeugung eines
hochdichten Plasmas innerhalb der Bogenkammer 32 ermöglicht,
während
weniger Leistung verbraucht wird als bei der Plasmadusche des Standes
der Technik gemäß 2.
-
Das erfindungsgemäße Filament 18, das
in den Vorrichtungen gemäß 3 und 4 verwendet wird, ist in größerer Einzelheit
in den 5 bis 7 dargestellt. Gemäß 5 weist das Filament 18 ein Paar
von Schenkeln 20a und 20b auf, die an einem thermisch
emittierenden gewickelten Mittelbereich 40 befestigt sind.
Vorzugsweise sind die Schenkel aus Tantal (Ta) aufgebaut und der
thermisch emittierende Teil ist aus Wolfram (W) aufgebaut. Der thermisch emittierende
gewickelte Teil 40 kann durch Schweißen, Presspassung oder Krimpen
an den Schenkeln 20 befestigt sein. Alternativ können die
Schenkel und der gewickelte Teil einheitlich als ein einzelnes Element
aufgebaut sein. Als solches wären
die Schenkel und der gewickelte Teil integral „verbunden".
-
Durch Anlegen einer positiven Spannungsdifferenz über die
Schenkel 20a und 20b hinweg strömt ein elektrischer
Strom I durch den Schenkel 20a hinein, durch den thermisch
emittierenden gewickelten Teil 40 hindurch und durch den
Schenkel 20b hinaus, und zwar in der in 5 dargestellten Richtung. Infolgedessen
tritt eine thermionische Emission an der Oberfläche des thermisch emittierenden
gewickelten Teils 40 auf, was in der Emission von Hochenergieelektronen
E resultiert. Solche Hochenergieelektronen E sind geeignet zum Ionisieren
von Gasmolekülen,
die mit ihnen kollidieren.
-
Wie in 6 dargestellt,
nimmt in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der thermisch emittierende gewickelte Teil 40 des Filaments 18 die Form
eines Toroid bzw. einer Ringspule an. Der Toroid 40 ist
aus zwei Toroidhälften 40a und 40b aufgebaut,
die sich jeweils zwischen den Schenkeln 20a und 20b erstrecken.
Jede der Toroidhälften
ist aus einer verdrillten Gruppe aus drei Wolframfilamenten 42, 44 und 46 aufgebaut,
wie in der Querschnittsansicht gemäß 7 zu erkennen ist. Obwohl drei Filamente
in 7 dargestellt sind,
können
mehr oder weniger Filamente beim Aufbau der Toroidhälften 40a, 40b verwendet
werden.
-
Die Dreifachfilamente 42, 44 und 46 sind
entlang ihrer gesamten Längen
verdreht. Während
sie an beiden Enden an den Schenkeln 20a und 20b fixiert
sind, werden die Filamente in einer entgegen dem Uhrzeigersinn gerichteten
Richtung gedreht, und zwar entlang einer sich von den Schenkeln 20 an jedem
Ende nach außen
erstreckenden Ansicht (der Ansicht in 6).
Die Verwendung einer Vielzahl von verdrehten bzw. verdrillten Filamenten,
anstelle eines einzelnen, dickeren Filaments, resultiert in einer
längeren
Filamentlebenszeit in Folge einer feineren Körnung und weniger Defekte,
welche in solchen dünneren
Filamenten im Vergleich zu dickeren Filamenten zu finden sind.
-
Ferner sind die Spulenhälften 40a und 40b jeweils
in entgegengesetzte Richtungen gewickelt, wenn man von ihren jeweiligen
Enden an jedem Schenkel 20 aus schaut. Wenn man z. B. vom
Schenkel 20a entlang der Linie 50 schaut, ist
die Spulenhälfte 40a in
einer entgegen dem Uhrzeigersinn gerichteten Richtung gewickelt
und wenn man entlang der Linie 52 schaut, ist die Spulenhälfte 40b in
einer im Uhrzeigersinn gerichteten Richtung gewickelt. In ähnlicher
Weise ist, wenn man von dem Schenkel 20b entlang der Linie 54 schaut,
die Spulenhälfte 40a in
einer entgegen dem Uhrzeigersinn gerichteten Richtung gewickelt,
und wenn man entlang der Linie 56 schaut, ist die Spulenhälfte 40b in
einer im Uhrzeigersinn gerichteten Richtung gewickelt.
-
Im Betrieb wird ein positives Spannungspotential über die
Schenkel 20a und 20b angelegt, um einen Stromfluss
in dem Filament zu induzieren und zwar vom Schenkel 20a zum
Schenkel 20b über
den toroidförmigen
thermisch emittierenden Teil 40, wie durch die Richtungspfeile
I (siehe 6) zu sehen ist.
Der Stromfluss I durch die gewickelten Toroidhälften etabliert ein Magnetfeld.
Da die Spulenhälften
in entgegengesetzte Richtungen gewickelt sind, ist das Magnetfeld
gekennzeichnet durch Magnetfeldlinien innerhalb der Grenzen ihrer
Spulen, wie in 6 dargestellt
ist.
-
Primäre Elektronen E, welche durch
thermische Emission des Filaments erzeugt werden und aus der Oberfläche davon
emittiert werden, bewegen sich spiralförmig in einer engen Umlaufbahn
entlang der Magnetfeldlinien B um das Innere der Toroidspulen herum.
Da diese Magnetfeldlinien geschlossen sind, sind die Elektronen
E innerhalb des Inneren der Spule bzw. den Wicklungen eingeschlossen.
Diese Primärelektronen
E sind geeignet zum Ionisieren von Gasmolekülen, mit denen sie in der Bogenkammer
in Kontakt kommen. Nach zahlreichen Kollisionen mit den Gasmolekülen in der
Bogenkammer verlieren die Hochenergieelektronen ausreichend Energie,
um thermalisierte Niedrigenergieelektronen zu werden, welche den
Grenzen der Toroidspulen entkommen können. Solche Niedrigenergieelektronen
können aus
den Grenzen der Toroidspulen heraus diffundieren und zu den Wänden der
Bogenkammer in der lonenquelle oder Plasmadusche gemäß den 3 bzw. 4 wandern.
-
Das Ergebnis des Filamentdesigns
der vorliegenden Erfindung ist ein hocheffizientes Filament, welches
erregt wird zum Erzeugen eines niedrigrauschenden, hochdichten Plasmas
in der Bogenkammer 12 der lonenquelle gemäß 3 oder der entsprechenden
Bogenkammer 32 der Plasmadusche gemäß 4. Das Plasma „rauscht" weniger als das, das in der lonenquelle
gemäß 1 erzeugt würde, da
keine Quellenmagneten verwendet werden. Solche Magneten bewirken
typischerweise eine Störung des
Plasmas, wobei die Störung
in dem Fall eines hochdichten Plasmas verstärkt wird infolge des benötigten entsprechenden
erhöhten
Stroms in den Magneten. Demgemäß kann bei
der Verwendung des Filaments 18 der vorliegenden Erfindung
der Strom erhöht
werden (im Vergleich zu dem Filament das in der Vorrichtung gemäß 1 verwendet wird), um ein
hochdichtes, schwach rauschendes Plasma zu erzeugen.
-
Demgemäß wurde ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines verbesserten Filaments für
eine lonenquelle oder eine Plasmadusche in einem lonenimplantierer
beschrieben. Mit der vorhergehenden Beschreibung im Hinterkopf ist
jedoch zu verstehen, dass diese Beschreibung nur anhand eines Beispiels gemacht
wurde und die Erfindung nicht auf die speziell hier beschriebenen
Ausführungsbeispiele
beschränkt
ist, und dass unterschiedliche Neuanordnungen, Modifikationen und
Substitutionen mit Bezug auf die vorhergehende Beschreibung implementiert
werden können,
ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, der durch die folgenden
Ansprüche
und ihre Äquivalente
definiert wird.