DK153613B - Ion-implanteringsfremgangsmaade og -apparat til at styre en overflades elektriske potentiale - Google Patents

Description

DK 153613B

Opfindelsen vedrører en indretning til ion-implantering og nærmere angivet en indretning af denne art, hvormed det er muligt at styre overfladepotentialet på et målorgan, navnlig et målorgan med en bombarderet overflade, som helt eller delvis udgøres af elektrisk isolerende materiale.

Ion-implanteringen er en teknik, der er af stor betydning ved fremstilling af integrerede kredsløb, -navnlig bipolære sådanne. Inden for denne teknik er der hu stigende krav, dels om en høj dosering med en forholdsvis kort tidscyklus for implanteringsoperation-erne, dels om en teknik der kan anvendes til at indføre tilsætningsstoffer gennem åbninger, som i det mindste i den ene retning ikke måler mere end 0,025 mm. Eftersom implanteringsdosens størrelse af-

2 DK 153613B

hænger af strømstyrken og af tiden, er det nødvendigt at denne teknik, for at der skal kunne opnås en høj dosering på forholdsvis kort tid, sigter på anvendelse af ionimplanteringsstråler med højere strømstyrker end 0,5 mA. Det har vist sig, at ved udførelse af denne art ionimplantering med ledningsevnepåvirkende "forureninger" gennem åbninger i isolerende lag, hvilke åbninger med henblik på at fremstille integrerede kredse med høj tæthed har dimensioner i størrelsesordenen 0,0025-0,025 mm, er der en tilbøjelighed til nedbrydning af dele af dette elektrisk isolerende lag såvel som af ubeskyttede halvlederoverflader, hvorved tilvejebringes spændingskortslutninger, hvilket medfører at den pågældende integrerede kreds ikke kan anvendes.

Det antages, at nedbrydning af denne art skyldes gennemslag af en spænding, der opbygges på det isolerende lag og som skriver sig fra den ladning, der er frembragt af de positive ioner, der udgør den primære ionstråle. Denne opbygning af en spænding er særlig udtalt ved sådanne stråler med høj strømstyrke, der udviser en høj tæthed af positive ioner. Det antages her, at i sådanne stråler har de positive ioner en så høj tæthed, at den "flydende" elektronsky, som under ionimplanteringsapparatets drift frembringes ved sekundæremission fra det materiale, der rammes af ionstrålen, samt af den af ionstrålen bevirkede ionisering af den neutrale "baggrundsgas", er utilstrækkelig til helt at neutralisere den ladning, som frembringes af de positive ioner på målet. Dette fænomen er omtalt blandt andet i US-patentskrifterne nr. 3.997.845, 4.011.449 og 4.013.891.

Det forekommer endvidere, at når de åbninger, hvorigennem ionerne implanteres, har små dimensioner i størrelsesordenen 0,025 mm eller mindre, vil der blive færre af de sekundær-elektroner, som normalt frembringes, når de positive ioner rammer halvledersubstra-tet, hvad der yderligere formindsker de ved overfladen tilgængelige sekundær-elektroners evne til at neutralisere ansamlingen af positive ioner og dermed forhindre opbygningen af den nævnte ladning.

Mens det beskrevne problem vil opstå i forbindelse med en sådan ionimplantering gennem små åbninger, kan det forventes at lignende problemer vil opstå ved udførelse af ionimplantering med ionstråler med stor strømstyrke gennem tynde områder i et elektrisk isolerende lag over et halvledersubstrat, i stedet for gennem åbninger i et sådant isolerende lag.

I den tidligere, kendte teknik er der foreslået en løsning på dette problem med opbygning af ladninger, og denne løsning omfat-

3 DK 153613 B

ter en direkte bestråling af det elektrisk isolerende lags overflade med en tilstrækkelig mængde elektroner til på denne overflade at frembringe et negativt potential, der er tilstrækkeligt til at modvirke enhver positiv ladning, der skriver sig fra ionerne i strålen. Denne løsning har imidlertid vist sig at være behæftet med væsentlige ulemper, blandt andet fordi elektronkilden, som normalt udgøres af en opvarmet tråd, en metaldel eller et plasma, kan blive påvirket af materiale, som afgives fra målet under ion-bombardementet. Desuden kan sådanne kilder selv afgive materialer, som kan forurene målet. Endvidere kan varmen fra en sådan elektronkilde frembringe uønskede opvarmningseffekter ved målet. Dersom målet f.eks. er dækket med et elektrisk isolerende materiale, såsom en fotoresist der ikke tåler varme, kan anvendelsen af en opvarmet tråd som elektronkilde forårsage skader på målet.

Endelig er det ved ionimplanteringsapparater af betydning, at ionstrålestrømmen kan måles og reguleres/ og dette gør det nødvendigt at anvise en fremgangsmåde og et apparat til styring og formindskelse af det positive overfladepotential på målet, hvilket apparat skal kunne samvirke med måleudstyret til måling af strålestrømmen.

Formålet med den foreliggende opfindelse er således at tilvejebringe en fremgangsmåde og et apparat til udøvelse af fremgangsmåden til et ionstrålebombardement, hvorved opbygningen af et positivt overfladepotentiale er formindsket, idet opbygningen af en positiv ladning på et lag af elektrisk isolerende materiale på overfladen skal kunne formindskes, uden at der sker skader på dette isolerende lag eller på områder af substratet, som afdækkes af åbninger i det isolerende lag, idet der tillige skal kunne tilvejebringes ionimplantering gennem de meget små åbninger i det isolerende lag, som er nødvendige ved tætpakkede integrerede kredse, uden at der sker skade på det isolerende lag eller på sådanne områder, som afdækkes af de nævnte åbninger.

Det angivne formål opnås med en fremgangsmåde af den indledningsvis omhandlede art, som er ejendommelig ved de i krav l's kendetegnende del angivne foranstaltninger, samt ved et apparat, som ifølge opfindelsen er ejendommelig ved den i krav 4's kendetegnende del angivne udformning.

. DK 153613B

4

Ved opfindelsen er tilvejebragt en indretning til bombardering af et mål ved hjælp af en ionstråle, hvilken indretning styrer overfladepotentialet på målet og omfatter en kombination af en tæt ved ionstrå.len beliggende elektronkilde til at frembringe elektroner til strålen, samt organer, såsom en skærmende vægdel eller en skærm, mellem målet og elektronkilden til at forhindre direkte retliniet stråling mellem kilden og målet. Sådan stråling omfatter både de af elektronkilden afgivne elektroner og anden partikelstråling og fotonstråling. Dermed forekommer ingen direkte stråling til målet fra elektronkilden. Skærmen forhindrer også materiale, der frembringes af elektronkilden, i at beskadige målet. Dersom kilden er aktiv, og navnlig når den udgøres af en opvarmet tråd af f.eks. wolfram eller tantal, vil sådanne materialer blive frembragt ved kilden. Endvidere forhindrer skærmen, at positive ioner, som ionstrålen tilfældigvis kunne frigøre fra målet, kan beskadige eller forurene elektronkilden. Ved anvendelse af en opvarmet kilde, såsom en tråd, vil skærmen også hindre elektronkilden i at opvarme målet og derved eventuelt beskadige dette.

Denne indretning til ionbombardering omfatter organer til måling af ionstrålestrømmen og styring af målets overfladepotential, og har vægge i nærheden af og elektrisk isoleret fra målet, hvilke vægge omslutter ionstrålen og sammen mad målet danner et Faradays bur. Endvidere omfatter indretningen organer til frembringelse i Faraday-buret af variable mængder elektroner, organer til at måle mål-strømmen, organer til at kombinere og måle mål- og vægstrømme med henblik på tilvejebringelse af måleværdier af ionstrålestrømmen, samt organer til at variere mængden af de frembragte elektroner med henblik på styring af mål-strømmen og dermed af måloverfladens potential .

Dette sidste aspekt af opfindelsen indebærer en evne til at styre eller måle den egentlige mål-strøm, der udgør en indikator for overfladepotentialet på det bombarderede mål. Da mål-strømmen også repræsenterer en betydelig del af hver måleværdi for ionstrålestrømmen, er det nødvendigt at indrette Faraday-buret på en sådan måde, at væggene er elektrisk isolerede fra målet, dvs. den samlede vægstrøm måles adskilt fra mål-strømmen. Derefter kan vægstrømmen og mål-strømmen kombineres til frembringelse af en måleværdi for ionstrålestrømmen.

5

DK 153613B

En eksempelvis udførelsesform af opfindelsen forklares i det følgende nærmere under henvisning til tegningen, idet fig. 1 skematisk viser en ionimplanteringsindretning for at belyse samvirket mellem en sådan indretning og udførelsen af opfindelsen med henblik på at styre målets overfladepotential og at måle strålestrømmen, fig. 1A viser i stor målestok den del af fig. 1, som ligger inden for de punkterede linier i fig. 1, fig. 2 er et del-snit af en alternativ udførelsesform af den foreliggende opfindelse til måling af strømmen og styring af målets overfladepotential, fig. 3A viser, set forfra - dvs. i retning fra målet langs med stråleaksen - en del af indretningen til styring af målets overfladepotential, omfattende en ændring til afkøling af elektronskærmen, og fig. 3B er et snit efter linien 3B-3B i fig. 3A.

Den i fig. 1 i afbrudt streg tegnede ramme 10 omfatter den del af et i øvrigt konventionelt ion-implanteringsapparat, som opfindelsen angår. Alle de uden for rammen 10 beliggende dele er kun vist skematisk, og omfattes ikke af opfindelsen, og de er nærmere beskrevet i US-patentskrift nr. 3.756.862. Den i fig. 1 viste indretning omfatter en ionkilde 12, som kan være af en vilkårlig type, selv om den i det viste udførelseseksempel udgøres af en opvarmet tråd. Fra ionkilden 12 frembringes på sædvanlig måde en ion-stråle gennem en åbning 15 ved hjælp af en elektrode 16. Elektroden 16, der også kan betegnes som en accelerations-elektrode, holdes på et negativt potential ved hjælp af en spændingskilde. Kildeelektroden 17 holdes ved hjælp af anodespændingskilden på et positivt potential i forhold til tråden - ionkilden - 12. Apparatet omfatter også en bremse-elektrode 18, som holdes på jordpotential. Det bemærkes i denne sammenhæng, at de omtalte forspændinger kun er vist som eksempler.

Den fra ionkilden 12 frembragte ionstråle udsendes langs med en strålebane 19 imod en analyseringsmagnet 20 af sædvanlig udformning. Strålen afgrænses også på sædvanlig måde ved hjælp af skiver med hul 21 og 22, der er anbragt foran henholdsvis bag magneten 20. Indretningen omfatter også en sædvanlig strålebegrænsende åbning 24, og strålen formes yderligere i en i en plade 25 udformet åbning 26, hvorefter den tilsidst rammer målet 23.

6 DK 153613 B

De særlige træk ved apparatet ifølge opfindelsen fremgår tydeligere af den i større målestok tegnede fig. 1A. De aktive organer er udformet som et modificeret Faraday-bur af den art der er omtalt i US-patentskrift nr. 4.011.449 og er indrettet til måling af strålestrøm. Målet 23 danner i kombination med hosliggende vægge 27 og bagvægge 28 et Faraday-bur, der omslutter ionstrålen 29. Målet 23 omfatter en holder 30, som bærer et antal "chips" eller kredsløbs-platter 31. Holderen 30 er indrettet til at drejes og svinges i den retning, der er vist i et standard-afbøjningsapparat af den art, der kendes fra US-patentskrift nr. 3.788.626, for at sikre en ensartet fordeling af ionstrålen 29 over overfladen på alle de platter 31, som er monteret på holderen 30. Selvsagt er det som et alternativ også muligt at lade det ifølge opfindelsen udformede Faraday--bur arbejde med et enkelt, stationært mål 23. Buret inklusive målet er indesluttet i et passende ikke vist kammer med henblik på at opretholde et højt vakuum i ionimplanteringsindretningen.

De hosliggende vægge 27 skal være elektrisk isoleret fra målet 23, og dette er i det viste udførelseseksempel opnået ved at der holdes en vis afstand mellem væggene 27 og målet 23. Væggene 27 er forspændt med et mere negativt potential end det potential, der tilføres målet 23. I den viste udførelsesform er målet 23 ved hjælp af en ledning 32 forbundet med jordpotential, og væggene 27 er ved hjælp af en spændingskilde V forspændt mere negativt i forhold til jord. Elektronkilderne 33 og 33' er konventionelle sådanne, som er indrettet til at indføre variable mængder af elektroner 34 i ionstrålen 29, for at der i ionstrålens område skal frembringes en tilstrækkelig mængde elektroner til at neutralisere eventuelle ladnings-ansamlinger, som i forbindelse med implanteringen kan bevirke at der opstår et ikke ønsket positivt potential på overfladen af platten 31. Problemet med en sådan ikke ønsket ladnings-ansamling, navnlig ved anvendelse af ionstråler med høje strømstyrker - dvs. på mindst 0,5 mA - til bombardering eller implantering gennem isolerende lag i halvleder-platter med ingen eller kun små åbninger, er omtalt ovenfor. Elektronkilderne 33 og 33' kan være af sædvanlig type, f.eks. en opvarmet tråd, der udsender elektroner. Alternativt kan de udgøres af sædvanlige plasma-broer, elektronkanoner med eller uden magnetfelt, eller feltemissionselektroder. Den viste tråd 35 strømforsynes ved hjælp af en sædvanlig, ikke vist strømkilde, som

7 DK 153613 B

kan indstilles til at forøge eller formindske strømmen gennem tråden 35 og dermed forøge eller formindske den mængde elektroner 34, som udsendes i banen for ionstrålen 29. Tråden 35 er fortrinsvis forspændt med en forspænding til et negativt potential i forhold til sidevæggene 27. Det er vigtigt at elektronkilderne 33 og 33' er anbragt i udsparinger, der er udformet i sidevæggene 27, så at der ikke kan etableres nogen retliniet eller direkte bane mellem en hvilken som helst del af tråden og en hvilken som helst del af målet. De i sidevæggene 27 indgående vægdele 36 virker som afskærmning imod dannelsen af en sådan bane.

Bagvæggen 28 er adskilt fra sidevæggene 27 ved hjælp af et lag af elektrisk isolerende materiale 37. Spændingskilden Vp forspænder denne bagvæg 28 til et mere negativt potential end sidevæggene 27 og tråden 35. Med det viste forspændingsarrangement vil de elektroner 34, som indføres i strålen, såvel som den sekundær-elektronsky, der ledsager ionstrålen, blive indesluttet i Faraday--buret bestående af bagvæggene 28, sidevæggene 27 og målet 23, og blive ført bort fra væggene og henimod målet. I det følgende angives nogle typiske arbejdsparametre. Når der anvendes en anordning, der arbejder ved et energiniveau i størrelsesordenen 50 keV med f.eks. arsen-ioner, og strålestrømme i størrelsesordenen 0,5 mA eller højere, opnås de bedste resultater ved at holde målet 23 på jordpotential, sidevæggene 27 ved en forspænding på omtrent -50 v, trådene 35 ved en forspænding på mellem -60 og -100 v, og bagvæggene 28 ved en forspænding på -200 v. Målingen af strålestrømmen foretages ved at kombinere strømmene fra samtlige indgående organer, dvs. strømmen fra målet 23, fra sidevæggene 27 og fra bagvæggene 28, i et enkelt amperemeter 38, så at der kan aflæses en måleværdi af strålestrømmen på lignende måde som beskrevet i US-patentskrift nr. 4.011.449. Samtidigt hermed kan mål-strømmen alene føres gennem et amperemeter 39 med henblik på aflæsning af mål-strømmen, hvad der muliggør en justering af den mængde elektroner 34, som fra tråden 35 indføres i ionstrålen 29. Som tidligere anført, er det ønskeligt at mål-strømmen enten er nul eller en smule negativ, med henblik på at forhindre at der opbygges et positivt potential på et isolationslag, der er udformet på overfladen af en i målet indgående platte 31.

8 DK 153613B

I den i fig. 1A viste indretning er det opgaven for bagvæggen 28, som er mest negativt forspændt, at sikre at den mindst mulige mængde elektroner forlader Faraday-buret gennem dettes åbne bagside. Ved en ændret udformning af denne indretning, der er vist i fig. 2, kan bagvæggen 28 udelades og erstattes af et magnetfelt 40, der forløber vinkelret på ionstrålen 29, og som frembringes ved hjælp af et par magneter 41 og 42. Dette magnetfelt 40 vil i alt væsentligt forhindre bagudgående bevægelser i de til ionstrålen 29 knyttede elektroner, idet feltet på sædvanlig måde virker som en elektron-spærre.

Ved ion-implantering af visse tilsætningsstoffer, f.eks. arsen, som fordamper hurtigt ved de aktuelle arbejdstemperaturer, kan der opstå et problem på grund af udfældning af arsen-damp på målet. Ved normal drift af ion-implanteringsudstyr vil det under driften fordampede arsen blive udfældet på de vægge i det dannede Faraday-bur, der ligger nærmest målet. Når - som det er tilfældet ved den foreliggende indretning - elektronerne indføres i ionstrålen fra en opvarmet kilde, som f.eks. tråden 35, der arbejder ved temperaturer i størrelsesordenen 1500-2700°C, vil væggene 27 og navnlig disses afskærmende vægdele 36 blive meget varme. Eftersom nu væggene og disses afskærmende dele har en højere temperatur end målet,-vil arsen-dampene være tilbøjelige til at aflejres på målets overflade. Dette forstyrrer procesforløbet, og navnlig den grad af arsen-tilsætning ("doping"), som måles ved implanteringen af arsen. Grunden hertil er, at det fordampede arsen ikke befinder sig i iontilstanden - det er i hovedsagen neutralt - og derfor ikke kan måles af dosimeter-udstyret under ion-implanteringsforløbet. Da dette arsen imidlertid er aflejret på målets overflade, vil det blive drevet ind i dette under de påfølgende varmebehandlinger af platten ved høje temperaturer. På denne måde vil arsenmængder, som ikke er medregnet ved den til ion-implanteringen hørende dosering, blive tilført målet og dermed forstyrre den ønskede ion-implantationsgrad og målets koncentration af tilsætningsstof.

Endvidere kan arsen, som kan være blevet aflejret på indretningens vægge tinder tidligere implanteringsforløb, gen-fordampes fra væggene under et efterfølgende implanteringsforløb og derved yderligere forstyrre doseringen i dette forløb.

På baggrund af det ovenfor anførte er det vigtigt at foretage en afkøling af vægge og afskærmende vægdele i apparatet, med

9 DK 153613B

henblik på at muliggøre en effektiv anvendelse af apparatet i forbindelse med bombardement eller implantering med materialer, som f.eks. arsen, som har let ved at fordampe under operationen. En sådan indretning med afkøling er vist i fig. 3B. Da det meste af det i fig. 3A og 3B viste udstyr er i hovedsagen det samme som det i fig. 1 og 1A viste, er for enkelheds skyld de dele i fig. 3A og 3B, der modsvarer dele i fig. 1 og 1A, betegnet med de samme henvisningsnumre med et "1" foran - således svarer de i fig. 1A viste sidevægge 27 til de i fig. 3A og 3B viste sidevægge 127. I den i fig. 3A og 3B viste indretning sker ion-implanteringen af platter 131 ved hjælp af ionstrålen 129. Disse platter 131 er monteret på en til målet 123 hørende holder 130. Sidevæggene 127 er ændret, så at de nu indeholder kølekanaler 150, der er forbundet med et indløb 151 og et udløb 152, hvorigennem kølefluidum tilføres til, henholdsvis fjernelse fra kølesystemet. Et kølemiddel, f.eks. trykluft eller et andet egnet kølemiddel, kan føres gennem kølekanalerne 150 med henblik på at afkøle sidevæggene 127 og navnlig disses afskærmende vægdele 136, med henblik på at holde disse vægge og vægdele ved en temperatur, der er lavere end målets temperatur, uafhængigt af temperaturen i trådene 135, hvormed elektronerne 134 indføres i ionstrålen 129. De anvendte kølemidler skal have elektrisk isolerende egenskaber, så at de ikke påvirker dosimetrien, dvs. indretningens funktion ved måling af ionstrålen. Ligeledes skal køleanlæggets ydre dele være elektrisk isolerede fra det dannede Faraday-burs vægge. Således er de i fig. 3B viste tilslutningsorganer 153 udformet af elektrisk isolerende materiale, og tjener til at isolere indløbet 151 og udløbet 152 elektrisk fra sidevæggene 127.

I fig. 3A er indretningen vist delvis åbnet ved fjernelse af et stykke, for derved at vise beliggenheden af trådene 135 i elektronkilden 133 i forhold til ionstrålen 129. I øvrigt virker organerne i den i fig. 3A og 3B viste indretning i hovedsagen på samme måde som de tilsvarende, i fig. 1 og 1A viste organer. Den indretning, som er vist i fig. 3A og 3B, anvendes i øvrigt sammen med sædvanligt ion-implanteringsudstyr af den art, der er vist skematisk i fig. 1.

Med det viste kølesystem vil, når tråden 135 opvarmes til temperaturer af størrelsesordenen 1500-2700°C, vægdelene 136 under ionstråleoperationen antage en temperatur under 100°C, mens målet, hvis opvarmning i hovedsagen sker ved hjælp af ionstrålen, antager en højere temperatur svarende til omtrent 150°C.

Claims (10)

1. Fremgangsmåde ved ionimplantering til styring af overfladepotentialet i et mål (23) , som bombarderes med en positivt ladet ionstråle (29), hvilket mål er elektrisk isoleret fra tilstødende vægdele (27,28) og sammen med disse danner et såkaldt Faradays bur, som omslutter ionstrålen, kendetegnet ved, at der frembringes elektroner inden for buret fra elektron-kilder (33,33'), hvilke kilder er således placerede i forhold til målet (23), at direkte, retlinet stråling derimellem forhindres, hvorfor elektronkilderne (33,33') kun kan afgive elektroner direkte til ionstrålen, samt at et måleinstrument (39) er tilknyttet målet (23) for gennem styring af intensiteten af elektronemissionen at holde målstrømmen på nul eller på en negativ værdi.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at vægdelene (27,28) holdes negativt forspændt i forhold til målet.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at der opretholdes en ionstrømstyrke på mindst 0,5 mA.

4. Apparat til udøvelse af fremgangsmåden ifølge krav 1-3 indbefattende et målområde (23), og tilgrænsende derfra elektrisk isolerende vægdele (27,28), som tilsammen danner et såkaldt Faradays bur, der omslutter ionstrålen (29), kendetegnet ved, at indbefatte elektronkilder (33,33') til frembringelse af variable mængder af elektroner i buret til styring af mål-strømmen og dermed målets overfladepotentiale, hvilke elektronkilder (33,33') er således placerede i forhold til målet (23), at direkte, retlinet stråling derimellem forhindres, samt organer (39) forbundet med målet (23) til måling af mål--strømmen i og til styring af elektronemissionen fra elektronkilderne (33,33'), således, at mål-strømmen holdes på nul eller på en negativ værdi.

5. Apparat ifølge krav 4, kendetegnet ved, at vægdelene(27,28) er negativt forspændt.

6. Apparat ifølge krav 4-5, kendetegnet ved, at elektronkilderne udgøres af opvarmede tråd-organer (35).

11 DK 153613 B

7. Apparat ifølge krav 4-5, kendetegnet ved, at der i sidevæggene (27) er udformet udsparinger, hvori elektronkilderne er anbragt, så at direkte strålingsudveksling med målet er forhindret.

8. Apparat ifølge krav 4-7, kendetegnet ved, at elektronkilderne (33,33') er positivt forspændt (V ) i forhold til bagvæggen (28) og negativt forspændt (V^)i forhold til sidevæggene (27).

9. Apparat ifølge krav 4-8, kendetegnet ved, at målet udgøres af et halvledersubstrat, der er dækket med et isolerende lag.

10. Apparat ifølge krav 9, kendetegnet ved, at der i det isolerende lag er udformet små gennemgående huller.