SE424679B - Anordning vid jonbombarderingsutrustning - Google Patents

Description

7804844-4 2 vilket resulterar i spånningskortslutningar, som gör 'den integrerade kretsen I funktionsoduglig.

Det antages, att sådan 'försämring eller destruktion uppkommer till följd av ett elektriskt genombrott av en spänning som byggts upp på. det isolerande skiktet till följd av laddningen, som anbringas av de positiva joner som bildar primär- jonstrålen. Denna spänningsuppbyggnad iår-särskilt uttalad i strålar med stor strömstyrka, som har en hög täthet av positiva joner. Det antages vidare, att vid sådana strålar med stor strömstyrka har positiva joner så hög täthet, att det flytande molnet av elektroner, som alstras på. naturlig väg genom jonbombarde- " mangapparatens funktion_t.ex. i form av sekundärelektronavgivning från material, vilket träffas av jonstrålen och neutral bakgrundsgasjonisering av jonstrålen, ej är tillräckligt stort för att fullständigt neutralisera den laddning som alstras av de positiva jonerna på. målet. i Begreppet positiv jonstrålei och effekten av sekundårelektronmolnet behandlas tämligen detaljerat i de amerikanska patenten 3.99"{.81L6, ït.0ll.1fi+9 och Ä.0l3.89l samt i artiklarna "High Current Electron Scanning Method for Ion Beam Writing", W C Ko, sid. 1832-1835, IBM Technical Disclosure Bulletin, vol. 18, nr. 6, november 1975 och "Ion Beams With Application to Ion Implantation", R G Wilson och G R Brewer, (John Wiley & Sons, New York, 1973) på sid. 132-115.

Det visar sig vidare, att när öppningarna genom vilka jonerna. skall implan- teras har små. sidodimensioner av storleksordningen 0,025 mm eller mindre, sekundär- elektroner, vilka normalt alstras av positiva joner som träffar halvledarsubstratet, blir minimerade, vilket ytterligare bidrager till bristen på. tilllgängliga sekundärelektroner vid ytan för- att neutralisera den positiva jonackumulationen och förhindra laddningsuppbyggnad. Även om det angivna problement uppträder i samband med jonimplantation genom mycket små. öppningar, kan liknande problem väntas uppträda, när jonimplan- tationen utföres med strålar av stor strömstyrka genom tunna regioner i ett elektriskt isolerande skikt över ett halvledarsubstrat i stället för genom öppningar i ett sådant isolerande skikt. _ Den tidigare kända tekniken har föreslagit en lösning på detta laddningsupp- byggnadsproblem, som bygger på. direkt bestålning av ytan på det elektriskt isolerande materialet med elektroner i tillräcklig mängd för att en negativ potential skall alstras på det isolerande materialets yta, som är tillräcklig för att avlägsna en eventuell positiv laddning, som alstras' av jonerna i strålen.

Det har visat sig, att när ”en sådan direktbestrålningsmetod utnyttjas, blir den önskade effekten begränsad. För det första är elektronkällan vanligen en glödtråd, en metallisk del av något slag eller ett plasma. En sådan elektronkâlla kan påverkas ogynnsamt av material, som utgår från målet under jonbomhardemang, och dessutom kan dessa källor_- avgiva material som kan förorena målet. Eftersom elektronkållan oftast är en upphettad del, _t.ex. en glödtråd, kommer dessutom 7804844-4 värmen från källan att utöva en oönskad uppvårmníngseffekt vid målet. Om då målet är täckt med ett elektriskt isolerande material, t.ex. fotoresist som påverkas av värme, kan glödtråden skada målet.

Eftersom slutligen jonstråledosimetri, d.v.s. mätning och styrning av jonstråleströmmen, anses vara betydelsefull vid jonimplantationsapparatur, finns ett behov inom tekniken - och speciellt vid strålar med stor strömstyrka - av metod och apparatur för att styra och minimera den positiva ytpotentialen på målet, vilken är kompatibel med dosimetriutrustning för mätning av strålströmmen.

I enlighet härmed är ett ändamål med föreliggande uppfinning att åstadkomma jonstrålbombardemangsapparatur, där uppbyggnaden av positiv ytladdning vid målytan minimeras.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkoma jonstrålbombardemangs- appratur, där uppbyggnade av positiv laddning på en yta av isolerande material, som finns på ett halvledarsubstrat, minimeras. Ännu ett ändamål med uppfinningen år att åstadkomma jonstrålbombardemangs- apparatur, där uppbyggnaden av positiv laddning på ett skikt av elektriskt isolerande material på målet minimieras. Samtidigt minimeras målföroreningen från apparaturen för att begränsa dylik uppbyggnad.

Ovannämnda och andra ändamål med uppfinningen realiseras genom apparatur för att bombardera ett mål med en stråle av joner, vilken apparatur har organ för att styra ytpotentialen vid målet, vilka organ utgörs av en kombination av en elektronkälla i anslutning till strålen för att leverera elektroner till strålen och medel mellan målet och denna elektronkålla för att blockera direkt rätlinjig strålning mellan källan och målet. Dylik strålning innefattar de av källan alstrade elektronerna liksom annnan partikelstrålning och fotonstrålning.

Med andra ord förhindrar blockeringsmedlet eller skärmen en rätlínjig elektronväg från elektronkällan till målet. Följaktligen finns ingen strålning, som direkt projiceras på eller träffar målet från elektronkällan. Skärmen hindrar också material, som i ångform lämnar källan, från att förorena målet. Under källans funktion - och speciellt när källan är en upphettad tråd av t.ex. wolfram, tantal eller toriumiridium - förångas sådana material från källan. Skärmen förhindrar målförorening. Dessutom hindrar skärmen eventuella positiva joner, som händelsevis kan förstoftas bort från målet av jonstrålen, från att direkt skada eller förorena kållstrukturen. Vid en sådan värmekälla som en tråd hindrar skärmen också källan från att upphetta målet och därigenom skada vårmekånsliga material, t.ex. fotoresist. Apparaturen innehåller dessutom ett arrangemang för att hålla skärmen vid en lägre temperatur än målet. Detta är speciellt gynnsamt, när elektronkällan är en upphettad källa, t.ex. en konventionell elektronavgivande tråd. -7 8 0 4 8 4 4- - 4 h Enligt en annan aspekt på. uppfinningen innehåller apparaturen för jonbombar- demang av målet med en sträle joner en anordning för att mäta jonstrålströmmen ' och styra ytpotentialen vid mälet, vilken anordning innefattar väggar nära och elektriskt isolerade från målet och omgivande strälen, varigenom väggarna och målet bildar en Faradays bur, medel för att åstadkomma varierbara mängder elektro- ner inuti Faradays bur, organ för att mäta målströmmen, organ för att kombinera och mäta mål+ och väggströmmarna för att åstadkomma nämnda jonstrålströmmätning samt medel för att variera mängderna. åstadkomma. elektroner i och för styrning av målströmmen och därmed nämnda målytpotential. Vidare innehåller denna anordning medel för att hålla skärmen vid en lägre temperatur än målet.

Nyckeln till sistnämnda aspekt på. uppfinningen ligger i möjligheten att övervaka eller mäta den netto-målström, som är en indikator på ytpotentialen hos det bombarderade målet. Eftersom emellertid målströmmen också representerar en väsentlig del av varje jonstrålströmmätning, måste Faradays bur vara så anordnad att väggarna är elektriskt isolerade från målet, d.v.s. att den totala väggströmmen mätes separat från målströzmnen, varefter målströmmen och väggströmmen kan kombi- neras för att ge värdet på jonstrâlströmmen. i Vid utnyttjandet av apparaturen enligt föreliggande uppfinning kan målet, som är försett med skikt av elektrisktyisolerande material och t.ex. utgörs av " halvledarskívor med påförda isolerande skikt bli föremål för jonimplantation under minimering av positiv laddningsuppbyggnad på den isolerande ytan, även om jonstrålarc med stor strömstyrka - minst 0,5mA - användas. Den positiva laddnings- uppbyggnaden undviks genom övervakning av målströmmen. Så länge som målströmmen hållesivid noll eller vid en negativ nivå, företrädesvis en svagt negativ nivå., kan ingen uppbyggnad av positiv potential på målets isolerande ytskikt äga rum.

Målströmmen kan regleras genom ändring av mängden elektroner, som introduceras i apparatur-en. Detta kan ske genom konventionella variationer i elektronkållans arbetsförhållanden.

Ovannämnda och andra ändamål, egenskaper och fördelar med uppfinningen, som definieras i nedanstående patentkrav, framgår av följande, mera detaljerade be- skrivning av föredragna utföríngsfomer, som illustreras pä bifogade ritningar.

Fig. l är en schematisk representation av en jonimplantationsapparat och visar den funktionsmässiga förbindelsen mellan den totala utrustningen och arrangemanget enligt föreliggande uppfinning för att styra målytpotentialen och för att mäta strålströmmen. Apparaten enligt föreliggande uppfinning visas mera detaljerat i fig. lA, som är en förstoring av partiet inom strecklinjer, som visas delvis genomskuret i fig. 1.

Fig. 2 är en partiell tvärsnittsillustration av en alternativ utföringsfom av den strömmätande och målytpotentialstyrande apparaten enligt föreliggande uppfinning. 7304844-4 Fig. 3 är en delfrontillustration av ett parti av apparaten för att styra målytpotentialen, vilket parti innefattar en modifikation för att kyla elektron- skärmen. Betraktaren står vid målpositionen och ser längs strålaxeln.

Fig. 3B år en schematisk partiell tvärsníttsillustration av apparaten i fig. 3A utmed linjen 3B-3B.

I fig. 1, lA och 2 visas en jonimplantationsapparat för att styra en målytas ytpotential. Denna apparat innehåller medel för att styra ytpotentialen hos ett mål, vilket är föremål för implantation genom att elektroner tillförs strålen, och vidare finns organ mellan målet och elektronkällan för att blockera direkt rätlinjig strålning mellan målet och källan. Föreliggande uppfinning år en modi- fikation av den i fig. l, lA och 2 visade apparaten till att inkludera medel för att trygga att strålningsblockeraren eller skärmen mellan källan för elektronerna och målet kyls, så att den hålls vid en temperatur understigande målets. Denna kylare beskrivs mera detaljerat med hänvisning till fig. 3A och 3B.

Med hänvisning till ritningarna och närmast till fig. l illustreras arrange- manget enligt uppfinningen för att mäta strålströmen och styra målets ytpotential inom strecklinjerna lO, i den män som den gäller en konventionell jonimplantations- apparat. Det torde observeras, att resten av apparaten i fig. l utanför blocket 10 är schematisk till sin karaktär och representerar konventionell jonimplantations- apparatur, t.ex. den som beskrivs i det amerikanska patentet 3.756.862. Apparaten i fig. l innehåller en konventionell jonkälla 12, som kan vara vilken som helst lämplig källa med hög täthet. I den visade utföringsformen visas emellertid en glödtråd-elektronpåslagskälla, som är anordnad att arbeta i oscillerande elektron- urladdningsmod. En jonstråle uttages från källan på konventionellt sätt genom extraktionselektroden 16 via öppningen l5. Elektroden 16, som också är känd såsom en accelerationelektrod, hålles vid en negativ potential av decelerationstill- förseln. Källelektroden 17 hålles vid en positiv potential relativt tråden 12 genom anodtillförseln. En decelerationselektrod 18 finns också, vilken hålls vid jordpotential. Det torde observeras, att de angivna förspånningarna kan varieras beroende på anordningens funktion på inom tekniken välkänt sätt.

Den stråle som uttages från jonkällan av det beskrivna elektrodarrangemanget förs utmed en strålväg, som generellt indikeras vid 19, till en analyseringsmag- net 20 av konventionellt utförande. Strålen avgränsas vidare på konventionellt sätt av hålförsedda plattor 21 och 22, som är placerade på ömse sidor om analyse- ringsmagneten. En konventionell stråldefinierande öppning 2Ä ingår såsom visas.

Härefter definieras strålen ännu en gång av öppningen 26 i plattan 25 och träffar målet 23. 1 Med speciell hänvisning till anordningen enligt föreliggande uppfinning, som tillåter styrning av ytpotentialen på målet under utövande av exakt dosimetri, d.v.s. mätning av jonsträlströmmen, hänvisas nu till partiet inuti strecklinje- blocket 10, som är förstorat i fig. lA. Anordningen är en modifierad Faradays 7804844-4 6 bur av den typ som beskrivs i det amerikanska patentet Ih-OllJLÄQ för mätning av rstrålströnnnen. Målet 23 bildar i kombination med de närmre väggarna27 och de bortre väggarna 28 en Faradays bur, vilken omgiver jonstrålen 29. Målet 23 inne- fattar en halvledarskivhållare 30, som uppbär ett flertal skivor 31. Skivhållaren vrids och vibreras i den riktning, som angives av en standardavlänkningsapparat, _ t.ex. den som beskrivs i det amerikanska patentet 3.778.621, i och för tryggande av likformig fördelning av jonstrålen 29 över ytorna på alla skivor 31, som år monterade på målstödet 30. Alternativt kan givetvis Faradays bur-anordningen enligt föreliggande uppfinning flmgera med ett stationärt mål 23. Faradays bur inklusive målet är innesluten i en lämplig konventionell kammare (ej visad) för upprätthållande av ett kraftigt vakuum i jonimplantationsapparaten.

De närmre väggarna eller 'sidoväggazma 27 måste vara elektriskt isolerade från målet 23. I den aktuella utföringsformen visas dessa separerade från målet.

Sidoväggarna 27 är förspända vid en negatívare potential än den potential som pålägges målet 23. I den visade utföringsformen är målet 23 förspänt till jord via ledaren 32, och väggarna 27 är negativare förspända relativt jort genom tillförseln Vw. Elektronkällor 33 och 33' är konventionella elektronkällor, som är utformade att introducera varierbara mängder elektroner 31l i jonstrålen 29 för att en tillräcklig mängd elektroner skall finnas i jonstråleregionen för att neutralisera eventuell laddningsuppbyggnad, som kan resultera i att en oönskad positiv potential uppkommer vid den yta på skivan 31 som är föremål för implanta- tion. Problemet med sådan oönskad laddningsuppbyggnadrhar beskrivits ovan, vilket problem är speciellt uttalat när jonstrålar med stor strömstyrka - minst 0,5mA - används för att bombardera eller implantera halvledarskivor med blott mycket små öppningar eller inga öppningar alls genom isolerande skikt. Elektron- källor 33 och 33' kan vara konventionella elektronkällor, t.ex. en glödtråd, som avger elektroner. Alternativt kan källan vara konventionella plasmabryggor, elektronkanoner med eller utan magnetfält eller fältemissionselektroder. Elektron- 'källtråden 35 matas av en konventionell strömförsörjningsenhet, ej visad, som kan varieras att öka eller_ minska en ström genom tråden 35 och därigenom öka eller minska elektronerna 31:, som avgivas till vägen för jonstrâlen 29. Tråden förspännes företrädesvis av förspänningen Vf till en negativ nivå i förhållande till sidoväggarna 27. Det är viktigt att elektronkällorna 33 och 33' placeras i försänkningar i sidoväggarna 27 på sådant sätt, att ingen rätlinjig eller "synlin- jig" väg förbinder någon del av tråden med någon del av skivan. Väggpartierna på väggarna 27 har till uppgift att blockera en sådan Kväg. 7 Den bortre väggen 28 separerasfrån sidoväggen 27 av ett skikt av elektriskt isolerande material 37. Spänningskällan VP har till uppgift att förspânna väggen 28 så. att den blir negativare än sidoväggarna 27 och tråden 35. Med det visade förspänningsarrangemanget inryms de elektroner 314, som introduceras' i strålen 1804844-4 7 liksom även det sekundärelektronmoln som åtföljer jonstrålen, i Faradays bur, vilken bildas av de bortre väggarna 28, sidoväggarna 27 och målet 23, och förs bort från väggarna i riktning mot målet. Vid utnyttjandet av apparatur, som ar- betar vid en energinivå av storleksordningen SOkeV med sådana joner som arsenik ' och strålströmmar av storleksordningen 0,SmA eller mer, uppnås bästa resultat med målet vid jordpotential, en förspänning på sidoväggarna 27 om ca. -50V, en total förspânning på. trådarna 35 om ca. -60 till -lOOV och en total förspänning på de bortre väggarna 28 om -200V. Dessa värden kan betraktas såsom typiska funktionsparametrar. Strâlströmvärdet bestäms genom kombination av strömmen från samtliga element, d.v.s. strömmen från målet 23, från sidoväggarna 27 och från den bortre väggen 28 vid amperemetern 38, vilket ger en avläsning av strålström- men på ett sätt liknande det som beskrivs i det amerikanska patentet 14.0ll.1+149.

Samtidigt kan målströmmen ensam övervakas med hjälp av amperemetern 39, vilket ger en avläsning av målströnmen, som tillåter justering av de elektroner 374, vilka introduceras i strålen 29 från tråden 35. Såsom påpekats ovan är det för att förhindra uppbyggnad av en positiv potential på ett isolerande skikt, som är utbildat på. ytan av en målskiva 31, önskvärt att målströmmen antingen ligger vid noll eller har ett visst negativt värde.

I arrangemanget enligt fig. lA har den bortre väggen 28, som är förspänd vid den mest negativa nivån i Faradays bur, till uppgift att trygga att ett minimum av elektronerna lämnar buren från dennas öppna baksida. Vid en modifierad alternativ utföringsform av detta arrangemang enligt fig. X kan den bortre väggen 28 elimineras och ett magnetfält ILO i rät vinkel mot jonstrålen skapas av ett par magneter lll och 142. Detta fält hindrar i huvudsak 'bakåtrörelse hos elektronerna som hör till jonstrålen 26 genom att det fungerar på konventionellt sätt såsom en elektronbarriär.

I samband med jonstrålar, som implanterar vissa dopänxnen, t.ex. arsenik, vilka förångas lätt under arbetstemperaturen, uppkommer ett problem till följd av utfällningen av förångad arsenik på. målet. Vid normalfurzktion hos jonimplan- tationsutrustning skulle eventuell arsenik, som förångas under operationerna, utfållas på Faradaysbur-väggarna nära målet. Vid det aktuella arrangemanget, där elektronerna levereras till jonstrålen från en upphettad källa, t.ex. tråden 35, som arbetar vid temperaturer inom området 1500-270000, blir emellertid väggarna 27 och särskilt skärmpartierna 36 tämligen heta. På grund av att väggarna och skärmen har högre temperatur än målet tenderar eventuell arsenikånga att avsättas på målskivytan. Detta stör behandlingen och särskilt arsenikdopnivån, som uppmäts från arsenikimplantationen. Detta händer därför att den förångade arseniken ej är i det joniska tillståndet (den är i huvudsak neutral), och följaktligen ej mäts med dosimetriapparaturen under implantationssteget. Eftersom den avsätts på. skivytan drivs den emellertid in i skivan under senare behandlingssteg med hög värme för skivan. Följaktligen hamnar arsenikmängder, som ej tes hänsyn till genom jonimplantationsdosimetrin, slutligen 1 skivan och kommer där att potentiellt 7804844-4 s störa de önskade implantationsdoserna och dopämneskdncentrationsnivåerna i skivan.

Vidare kan arsenik, som möjligen har pläterats på arrangemangets väggar under en tidigare implantationscykel, förångas från väggarna under en efterföljande implantationscykel och ogynnsamt påverka dosimetrin i efterföljande cykel. " Såsom tidigare nämnts kan kylda skärmar och väggpartier utnyttjas i apparatur, som är speciellt användbar för bombardemang eller implantation med sådana material som arsenik, vilka lätt förångas under funktionsförhållandena. Av sådana. kylda arrangemang, på. vilka arrangemanget i fig. 1A är ett exempel, är anordningen i enligt uppfinningen en modifikation enligt fig. 3B, som är en tvärsnittsillustra- tion längs linjen 3B-3B i fig. 3A. Fig. 3A är en frontillustration av implantations- apparaten med utgångspunkt från målet, som vetter mot strålen längs strålaxeln.

Eftersom en stor del av apparaturen i fig. 3A och 3B i huvudsak motsvarar vad som visas i fig. 1 och lA, kommer för enkelhetens skull de element i fig. 3A och 3B, som är ekvivalenta. med element i fig. 1 och 1A, att betecknas med samma referenssíffror som dessa föregångna av siffran "l". Så år sidoväggen 27 i fig. lA ekvivalent med sidoväggen 127 i fig. 3A och 3B. När ett element i fig. 3A och 3B omnämns, som är ekvivalent med ett element i fig. l och 1A, kommer sålunda ingen ytterligare beskrivning att göras utan det antages, att det arbetar på samma sätt som i ursprungsarrangemanget. I fig. 3A och 3B implanteras skivorna med jonstrålen 129. Skivorna är monterade på målstödet 130 inom målarrangemanget 123. Sidoväggarna 127 har modifierats att inrymma 'kylningsrör 150, vilka är anslutna till ingångsröret 151, genom vilket vätska inträder i* kylsystemet, och röret 152, genom vilket vätska lämnar kylsystemet. Ett kylmedel, t.ex. komprimerad luft eller fluorkol, kan passera genom rören för att kyla väggarna 127 och speciellt skärmpartierna 136, så att dessa väggar hålls vid en temperatur under målets oberoende av temperaturen på. trådarna 135, som introducerar elektroner 1314 i jonstrålen 129. Kylmedlen måste vara elektriskt isolerande till sin karaktär, så att de ej påverkar dosimetrin, d.v.s. apparaturens jonstrålmätoperation.

Likaså bör de yttre delarna av kylsystemet vara elektriskt isolerade från väggarna i Faradays bur. Såsom visas i fig. 3A består ledarna 153 av elektriskt isolerande material och har till uppgift att isolera rören 151 och 152 från väggarna 127.

I fig. 3A har en sektion avlägsnats för att visa placeringen av en av trådarna 135 inom elektronkälldelen 133 i förhållande till strålen 139. I alla avseenden fungerar elementen i fig. 3A och 3B på våsenligen samma sätt som ' motsvarande element i fig. l och 1A. Vidare används den kylda strålströmmätande och ytpotentialstyrande apparaten i fig. 3A och 3B i kombination med konventionell jonimplantationsapparatw, av vilken apparatur resten visas sohematiskt i fig. 1.

Claims (1)

1. 7304244-4 Med den beskrivna kylanordningen kommer, när tråden upphettas till temperaturer inom området 1500-2TOO°C, väggarna 136 att hållas vid mindre än 10006 under jonstråloperationen, medan målet, som upphettas huvudsakligen av jonstrålen, når en högre temperatur, ca. 15000. Patentkrav. Anordning vid jonbombarderingsutrustning, där ett mål (23, 31, 123, l3l) bombarderas med en stråle joner (29, 129), för att styra ytladdningen på målet, k å n n e t e c k n a d av en elektronkälla (33, 133) nära jonstrålen som åstadkommer elektroner till strålen för att neutralisera eventuell laddnings- uppbyggnad på målet, en skärm (27, 36, l27, 136) mellan målet och elektron- källan för att blockera direkt rätlinjig strålning mellan elektronkällan och målet, vilken skärm innefattar en vägg (27, l2?) som har i sig utformade rörledningar (150) för cirkulerande kylvätska, varvid kylvätska och rörled~ ningar tillsammans bilda en kylare för att hålla skärmen vid lägre temperatur än målet. ANFURDA PUBLIKATIONER: US 3 624 390 (25D~49.5)