SE430188B - Metod vid jon-implantation for styrning av ytpotentialen hos ett mal, samt anordning for tillempning av metoden - Google Patents

Description

78041' 1 9-1 s _ 2 jonimplantation av ledningsbestämmande föroreningar genom öpp- ningar i isoleringsskikt, vilka ha dimensioner i storleksordningen 0,0025 mm till 0,025 mm, vilket erfordras vid integrerade kretsar med hög täthet, det finns en tendens mot nedbrytning av delar av detta elektriskt isolerande skikt, liksom även exponerade halvle- darytor, resulterande i spänningskortslutningar, vilka göra den integrerade kretsen obrukbar. ' ”Det antages att sådan nedbrytning beror på genomslag av en spänning som byggs upp på isolationsskiktet och som härrör från ,den laddning som alstrats av de positiva joner, vilka utgöra primärjonstrålen. Denna spänningsuppbyggnad är speciellt markerad i sådana högströmsstrålar, vilka ha hög täthet av positiva joner.

Det antages härvid, att i sådana strålar de positiva jonerna ha så hög täthet att det flytande moln av elektroner, vilket alstras genom operationer hos jonbombardemangsanordningen genom sekund- emission från det material som träffas av jonstrålen, samt jonise- ringen av den neutrala bakgrundsgasen via jonstrålen, är otillräck- ligt för att helt neutralisera den laddning, som alstras av de positiva jonerna på målet. Detta fenomen framgår bl.a. av US patenten 3.997.846, 4.011.449 och 4.013.891.

Det framgår vidare, att då öppningarna genom vilka jonerna implanteras ha små dimensioner i storleksordningen 0,025 mm eller mindre, de sekundärelektroner, vilka normalt alstras då positiva joner träffa halvledarsubstratet, bli färre, vilket ytterligare bidrar till oförmågan hos tillgängliga sekundärelekt- roner vid ytan att neutralisera uppbyggnaden av positiva joner och därmed förhindra laddningsuppbyggnad. _ Samtidigt som det beskrivna problemet uppträder i samband med sådan jonimplantation genom små öppningar, kan liknande problem förväntas då jonimplantation utföres med högströmsstrålar genom tunna regioner i ett elektriskt isolerande lager över ett halvledarsubstrat i stället för genom öppningar i ett sådant .isolerande lager.

Det har tidigare föreslagits en lösning på detta problem med uppbyggda laddningar, vilken lösning innebär direkt bestålning av ytan på det elektriskt isolerande materialet med elektroner i tillräcklig mängd för att alstra en negativ potential på denna yta, som är tillräcklig för att motverka varje positiv laddning som härrör från jonerna i strålen. Denna lösning ha emellertid visat sig ha avsevärda olägenheter,_bl.a. genom att elektronkällan, som normalt utgöres av en upphettad tråd, metalldel eller ett plasma, kan bli påverkad av material som utsändes från målet 7804119-1 under jonbombardemanget. Sådana källor kunna även ge ifrån sig material som kan fördärva målet. Vidare kan värmen från en sådan källa alstra icke önskvärda uppvärmningseffekter vid målet. Om exempelvis målet är täckt med ett elektriskt isolerande material, t.ex. en fotoresist, vilket är angripbart av hetta, kan en upp- hettad tråd förorsaka skada på målet.

Slutligen är det viktigt vid jonimplantationsanordningar att kunna mäta och styra jonstråleströmmen, vilket gör det nödvändigt att skapa en metod och en apparat för styrning och minimering av den positiva ytpotentialen på målet, vilken apparatur måste vara kompatibel med apparaturen för mätning av strålströmmen.

Ett huvudändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en metod och en anordning för jonstrålebombardemang, vid vilken uppbyggnaden av positiv ytspänning på målytan minimeras.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en anordning för jonstrålebombardemang där uppbyggnaden av en positiv laddning på ett lager av elektriskt isolerande material på ytan minimeras utan att nämnda isolerande lager eller substratareor, som äro exponerade i öppningar i nämnda lager, skadas.

Ytterligare ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en metod för jonimplantation genom de mycket små öpp- ningar i isolationsskikten som krävs vid tättpackade integrerade kretsar, vilken metod icke åstadkommer skada på det isolerande skiktet eller på areor som exponeras via sådana öppningar.

Ovannämnda och andra ändamål med föreliggande uppfinning åstadkommas med hjälp av en anordning för bombardemang av ett mål medelst en jonstråle, vilken anordning styr ytpotentialen på målet och innefattar en kombination av en elektronkälla i anslutning till strâlen för alstring av elektroner till strålen, samt medel, t.ex. en sköld, mellan målet och denna elektronkälla för förhindrande av direkt rätlinjig strålning mellan källan och målet. Sådan strålning inkluderar elektronerna som alstras av källan såväl som annan partikelstrålning och fotonstrålning. Därmed förekommer ingen direktstrålning på målet från elektronkällan. Skölden förhindrar även material som alstras från källan från att skada målet. Då källan är aktiv, och speciellt då källan utgöres av en upphettad tråd, såsom t.ex. wolfram eller tantal, alstras sådana skadliga material vid källan. Vidare förhindrar skölden att positiva joner, som av misstag kunna slungas ut från målet med hjälp av jonstrålen, från att direkt förstöra källa. Vid användning 7894119-1 4 av en upphettad källa av trådtyp förhindrar även skölden källan från att värma upp målet och därigenom eventuellt åstadkomma skador på detta.

Denna anordning för jonbombardemang innefattar en struktur för mätning av jonstråleströmmen och styrning av ytpotentialen på målet och innefattar väggar i närheten av och elektriskt isole- rade från målet samt inneslutande strålen, varvid väggarna och målet alstra en Faradays bur. Vidare finnas organ för åstadkommande av variabla kvantiteter av elektroner inom denna Faradays bur, organ för mätning av mâlströmmen, organ för kombinering och mätning av mål och väggströmmar för åstadkommande av mätningar av nämnda jonstråleström, samt medel för variering av kvantiteterna av alstrade elektroner för styrning av målströmmen och därmed målytans potential.

Finessen med den sistnämnda aspekten på föreliggande uppfin- ning består i förmågan att styra eller mäta den egentliga målström- men, vilken är en indikator på ytpotentialen hos det mål som bombarderas. Eftersom mâlströmmen också representerar en betydande del av varje mätning av jonstråleströmmen, måste Faradays bur anordnas så att väggarna äro elektriskt isolerade från målet, _d.v.s. den totala väggströmmen mätes separat från målströmmen.

Därefter kan målströmmen och väggströmmen kombineras för åstadkom- mande av mätningen av jonstråleströmmen.

Uppfinningen, som framgår av nedanstående patentkrav, kommer nu att närmare beskrivas i anslutning till en föredragen utförings- form som visas på bifogade ritningar.

Fig. l visar schematiskt en jonimplantationsanordning för att illustrera sambandet mellan en dylik anordning och utformningen av föreliggande uppfinning för styrning av målets ytpotential och för mätning av strålströmmen. Anordningen enligt föreliggande uppfinning visas mera i detalj i fig. lA, som är en förstoring av den del som omslutes av de streckade linjerna i fig. l.

Fig. 2 är ett delsnitt av en alternativ utföringsform av föreliggande uppfinning för mätning av strömmen och styrning av målytpotentialen.

Fig. 3A visar framifrån en del av anordningen för styrning av målytpotentialen och innefattar en modifikation för kylning av elektronskölden. Figuren är sedd från målpositionen längs efter strålens axel. I Fig. 3B är ett snitt genom anordningen i fig. 3A längs linjen 3B-3B. 7804119-1 5 Fig. 1 visar föreliggande uppfinning inom de streckade lin- jerna 10 och dess plats i en konventionell anordning för jonimplan- tation. Alla delar utanför de streckade linjerna äro schematiska och ingå ej i uppfinningen. De beskrivas närmare i USA patentet 3.756.862. Anordningen i fig. 1 innefattar en konventionell jon- källa 12, som kan vara av godtycklig typ, även om den här visas i form av en upphettad tråd. En jonstråle erhålles från nämnda källa på konventionellt sätt med hjälp av en elektrod 16 via öppningen 15. Elektroden 16, som även rubriceras som en accelera- tionselektrod, hålles vid en negativ potential med hjälp av en spänningskälla. Källelektroden 17 hålles vid en positiv potential relativt tråden 12 genom anodspänningskällan. En bromselektrod 18 finnes också anordnad och hålles vid jordpotential. Det torde i detta sammanhand observeras, att de visade förspänningarna endast äro exempel. 7 Den från jonkällan erhållna strålen utsändes längs en strålväg som indikeras vid 19 mot en analyseringsmagnet 20 av konventionell typ. Strålen defineras även på konventionellt sätt genom skivor 21 och 22 med hål, vilka skivor äro belägna på varsin sida om analyseringsmagneten. En konventionell strâldefinierande öppning 24 finnes även i anordningen och strålen formas vidare i öppningen 26 i plattan 25 och träffar slutligen hålet 23.

Föreliggande uppfinning framgår tydligare av förstoringen i fig. lA. Strukturen är en modifierad Faradays bur av den typ som beskrivs i USA patentet 4.011.449 för användning i samband med mätning av strålström. Målet 23 kombineras med intilliggande väggar 27 och bakre väggar 28 för att bilda en Faradays bur, vilken omsluter jonstrålen 29. Målet 23 omfattar en hållare 30, vilken uppbär ett antal chip 31. Hållaren vrides och svänges i den riktning som indikeras av en standardavböjningsapparat av typ som visas i USA patentet 3.788.626 för att säkerställa likformig distribuering av jonstrålen 29 över ytorna på alla de chip 31, som finnas monterade på målhållaren 30. Alternativt kan givetvis Faradays bur enligt föreliggande uppfinning fungera med ett stationärt mål 23. Buren inklusive målet inneslutes i en lämplig kammare (ej visad) för bibehållande av högt vakuum i jonimplanta- tionsanordningen.

Angränsande väggar eller sidoväggarna 27 måste vara elektriskt isolerade från målet 23. Vid föreliggande utföringsform visas detta genom viss distans från målet 23. Väggarna 27 äro förspända vid en mera negativ potential än den potential, som tillföres 37804119-1 i i 6 'målet 23. Vid den visade utföringsformen är målet 23 förspänt till jordpotential via ledningen 32 och väggarna 27 äro förspända mera negativt relativt jord genom spänningskällan VW. Elektron- källorna 33 och 33' äro konventionella elektronkällor, avsedda att införa variabla mängder av elektroner 24 i elektronstrålen 29 för att alstra en tillräcklig mängd elektroner i jonstråleregionen för att neutralisera sådan laddningsuppbyggnad som kan resultera i en oönskad positiv potential på ytan på chip 31 i samband med -implantation. Problemet med en sådan icke önskvärd laddningsuppbygg- nad, speciellt då jonstrålar med höga strömstyrkor, d.v.s. ström- styrkor på minst 0,5 milliampere, användas för bombardering eller implantering genom isolerande skikt i halvledarchips med endast små öppningar eller inga öppningar alls har tidigare diskuterats.

Elektronkällorna 33 och 33' kunna vara av konventionell typ, t.ex. en upphettad tråd som utsänder elektroner. Alternativt kan de utgöras av plasmabryggor, elektronkanoner med eller utan magnetiska fält, eller fältemissionselektroder. Den visade tråden 35 matas via en konventionell källa (ej visad), som kan varieras för att öka eller minska strömmen genom tråden och därmed öka eller minska mängden av elektroner 34, som emitteras i banan för jonstrålen 29. Tråden är företrädesvis förspänd med en förspänning V? till en negativ potential relativt sidoväggarna 27. Det är viktigt att elektronkällorna 33 och 33' äro anordnade i urtagningar utformade i sidoväggarna 27, så att icke någon rätlinjig eller direkt väg etableras mellan någon del av tråden och någon del av målet. Väggdelarna 36 på väggarna 27 fungera som sköldar mot en 7 sådan kontakt.

Den bakre väggen 28 är skild från sidoväggarna 27 medelst ett lager av elektriskt isolerande material 37. Spänningskällan Vp förspänner denna bakre vägg 28 till en mer negativ potential än sidoväggarna 27 och tråden 35. Med det visade förspänningsarrange- 'manget kommer elektronerna 34, som införes i strålen, såväl som sekundärelektronmolnet,som ledsagar jonstrålen, att inneslutas i ”den Faradays bur som bildas av de bakre väggarna 28, sidoväggarna 27 och målet 23, samt föras bort från väggarna i riktning mot målet. Nedan följa några typiska arbetsparametrar. Då man använder sig av en anordning som arbetar vid en energinivå i storleksordningen 50 KeV med joner som t.ex. arsenik, och strålströmmar i storleksord- ningen 0,5 milliampere eller högre, uppnås de bästa resultaten genom att hålla målet vid jordpotential, en förspänning på sido-, väggarna på ungefär -50 volt, en förspänning på trådarna 35 på mellan ~60 och -100 volt, samt en förspänning på de bakre väggarna 7 vso4119-1 28 på -200 volt. Mätningen av strålströmmen bestäms genom kombina- tion av strömmen från samtliga ingående element, d.v.s. strömmen från målet 23, från sidoväggarna 27 och från de bakre väggarna 28, i en ampëremeter 38 för att åstadkomma avläsning av strålströmmen på ett sätt liknande det som beskrivs i USA patentet 4.011.449. Samtidigt kan målströmmen ensam ledas via ampèremetern 39 för avläsning av målströmmen, vilket tillåter justering av mängden elektroner 34, som införes i strålen 29 från tråden 35. Såsom tidigare angivits är det önskvärt att målströmmen är antingen 0 eller något negativ för att förhindra uppbyggnad av en positiv potential på ett isolationsskikt, som är utformat på ytan på målet 3l.

I strukturen i fig. 1A är funktionen hos den bakre väggen 28, som är mest negativt förspänd, att säkerställa att ett minimum av elektroner kommer att lämna den uppbyggda Faradays bur via dennas öppna bakre sida. Vid en modifierad utföringsform av denna struktur, som visas i fig. 3, kan den bakre väggen 28 elimineras och ett magnetfält 40, som är vinkelrätt mot jonstrålen, kan i stället påläggas med hjälp av ett par magneter 41 och 42. Detta fält kommer att i huvudsak förhindra en rörelse bakåt hos de elektroner, som höra samman jonstrålen 26, genom att det fungerar på konventionellt sätt som en elektronspärr.

Vid jonimplantation av vissa dopämnen, t.ex. arsenik, vilka förångas snabbt vid aktuella arbetstemperaturer, kan ett problem uppstå på grund av utfällning av förångad arsenik på målet. Vid standardoperation av jonimplantationsutrustning skulle arsenik, som förångas under operationen, utfällas på de väggar i den bildade Faradays bur, som gränsa intill målet. Då, såsom är fallet vid föreliggande struktur, elektroner införas i jonstrålen från en upphettad källa såsom tråden 35, vilken arbetar vid temperaturer i storleksordningen 1500 till 2700°C, komma väggarna 27 och speciellt de avskärmande partierna 36, att bli mycket f heta. Eftersom väggarna och skölden ha högre temperatur än målet, tendera arsenikångor att avsättas på målets yta. Detta förvränger processen och speciellt den arsenikdopningsgrad som uppmäts vid implantation av arsenik. Detta sker på grund av att förångad arsenik icke är i jontillstånd (det är i huvudsak neutralt) och följaktligen icke uppmätes av den dosimeterapparat, som är aktiv under implantationssteget. Eftersom det avsättes på målytan drivs det emellertid in i målet genom efterföljande kraftig upphettning av detsamma. Därmed komma kvantiteter av arsenik, som icke äro "?'8.0l+119-1 i i 8 beräknade vid doseringen i samband med jonimplantationen, att tillföras målet och komma därvid att förvränga den önskade jon- implantationsgraden och dopämneskoncentrationen i målet.

Dessutom kan arsenik, som kan ha avsatts på strukturens väggar under tidigare implantationscykler, förångas på nytt från väggarna under en efterföljande implantationscykel för att ytterligare förvränga doseringen i denna cykel. 7 , 'Med hänsyn till det ovan sagda är det viktigt att anordna med kylning av sköld och väggar i apparaten för att effektivt kunna använda den i samband med bombardemang eller implantation med material, som exempelvis arsenik, vilka lätt förångas under operationen. En sådan struktur med kylning visas i fig. 3B. 1 Eftersom större delen av den anordning, som visas i fig. 3A och 3B, är i huvudsak densamma som visas i fig. l och 1A, komma för enkelhets skull elementen i-fig. 3A och 3B, som motsvara elementen i fig. lA och lB, att betecknas med samma siffror föregångna av en “l", t.ex. sidoväggarna 27 i fig. lA motsvara sidoväggarna 127 i fig. 3A och 3B. I fig. 3A och 3B sker jonimplantation medelst strålen l29 av chip l3l. Dessa chip äro monterade på en hållare 130 i mâlstrukturen 123. Sidoväggarna 127 äro modifierade för att innehålla kylslingor 150, vilka äro anslutna till intag l5l, genom vilka kylvätska tillföres kylsystemet, och en utgång 152, genom vilken kylvätskan lämnar kylsystemet. Ett kylmedel, t.ex. tryckluft eller något annat lämpligt medel, kan matas genom kylledningarna för att avkyla väggarna 127 och speciellt de avskärmande partierna l36, för att hålla dessa väggar vid en tem- peratur som är lägre än målets, oberoende av temperaturen hos trådarna 135, vilka introducera elektroner 134 i jonstrålen 129.

De använda kylmedlen måste vara elektriskt isolerande till sin karaktär, så att det icke påverkar dosimetrin, d.v.s. funktionen hos anordningen vid mätning av jonstrålen. Likaledes måste de externa delarna av kylsystemet vara elektriskt isolerade från väggarna i den utformade Faradays bur. Såsom visas i fig 3A äro 'anslutningar l53 utförda i elektriskt isolerande material och fungera såsom isolerande ledare l5l och 152 gentemot väggarna l27.

I fig. 3A är en sektion borttagen för att visa läget hos en av trådarna 135 i elektronkällan 133 relativt strålen 129. I övrigt är funktionen hos elementen i fig. 3A och 3B i huvudsak densamma som deras motsvarigheter i fig. l och lA. Anordningen,

Claims (10)

78104119-'1 som visas i fig. 3A och 3B, användes vidare i kombination med en konventionell jonimplantationsanordning av den typ som antyds schematiskt i fig. l. Då tråden upphettas till temperaturer av storleksord- ningen 1500 till 2700°C kommer, med det använda kylsystemet, väggarna 136 att hållas vid lägre temperatur än l00°C under jonstråleoperationen medan målet, som upphettas i huvudsak genom jonstrålen, får en högre temperatur, motsvarande ca 15o°c. Patentkrav

1. l. Metod vid jon-implantation för styrning av ytpoten- tialen hos ett mål (23), som bombarderas av en positivt laddad jonstråle (29), varvid nämnda mål är elektriskt isolerat från angränsande väggpartier (27, 28) och till- sammans med dessa bilda en s.k. Faradays bur, som omsluter jonstrålen, k ä n n e t e c k n a d av alstring av elektro- ner inom nämnda bur från elektronkällor (33, 33'), vilka är så belägna i förhållande till målet, att direkt rätlinjig strålning dem emellan förhindras varför elektronkällorna (33, 33') enbart kan avge elektroner direkt till jonstrålen och av att ett mätinstrument (39) är anslutet till målet (23) för att medelst styrning av intensiteten på elektron- emissionen hålla målströmmen vid noll eller negativ.

2. Metod enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a d därav, att väggpartierna (27, 28) är negativt förspända relativt målet.

3. Metod enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a d därav, att jonströmmen är minst 0.5 mA.

4. Anordning för tillämpning av metoden enligt patent- kraven l-3 innefattande ett mål (23) och angränsande, däri- från elektriskt isolerande väggpartier (27, 28), som till- sammans bildar en s.k. Faradays bur, vilken omsluter jon- strålen, k ä n n e t e c k n a d av elektronkällor (33, 33') för alstring av varierbara mängder elektroner i buren för styrning av målströmmen och därmed målets ytpotential, vilka elektronkällor är så belägna i förhållande till målet att g 7804119 1 10 direkt rätlinjig strålning dem emellan förhindras samt av gmeael (se) anslutna till målet (23) för mätning av mäl- strömmen i och för styrning av elektronemissionen från elektronkällorna så att målströmmen hålles vid noll eller negativ. _

5. Anordning enligt patentkravet 4, k ä n n e t e c k - n a d därav, att väggpartierna (27, 28) är negativt för- V 'spända.

6. Anordning enligt patentkraven 3-5, k ä n n e t e c k n add därav, att elektronkällorna utgöres av upphettade (35) .

7. Anordning enligt patentkraven 3-5, krä n n e t e c k trådelement n a d därav, att sidoväggpartierna (27) äro försedda med urtagningar, i vilka elektronkällorna äro inlagda, så att direkt strålningskontakt med målet förhindras.

8. Anordning enligt patentkraven 3-7, k ä n n e t e c k' n a d därav, att elektronkällorna (33, 33') äro positivt förspända (Vb) relativt den bakre väggen (28) och negativt förspända (Vf) relativt sidoväggarna (27).

9. Anordning enligt patentkraven 3-8, k ä n n e t e c k n a d därav, att målet är ett halvledarsubstrat täckt med ett isolerande skikt.

10. l0. Anordning enligt patentkravet 9, k ä n n e t e'c kf- n a d därav, att det isolerande skiktet är försett med små genomgående hål.