DE2627987A1

DE2627987A1 - Ionenimplantationsvorrichtung

Info

Publication number: DE2627987A1
Application number: DE19762627987
Authority: DE
Inventors: Wen Chuang Ko; Albert Schien; James Robert Winnard
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-06-30
Filing date: 1976-06-23
Publication date: 1977-01-20
Also published as: IT1064307B; JPS541627B2; GB1492016A; US3999097A; JPS525263A; FR2316724B1; FR2316724A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Implantieren von Ionen, mit der eine Probe gleichzeitig mit mehreren Ionenstrahlen bestrahlt werden kann.

In den üblichen Ionenimplantationsvorrichtungen läßt man einen einzelnen Ionenstrahl auf einem Substrat ein festgelegtes Muster von Bereichen, in welchen Ionen implantiert werden sollen, abtasten, wobei erreicht wird, daß jeder dieser Bereiche mit einer vorgesehenen Dosis von Ionen bestrahlt wird. Solche Ionenimplantationen werden beispielsweise bei der Herstellung mikroelektronischer Anordnungen angewandt. Wird dabei eine große Anzahl von Anordnungen erzeugt, so erfordert die Ionenimplantation mit einem Ionenstrahl einen beachtlichen Aufwand an Zeit.

Es ist deshalb erwünscht, bei der fabrikmäßigen Herstellung von mikroelektronischen Anordnungen Ionenimp1antationsvorrichtungen zu verwenden, mit denen gleichzeitig in mehrere Bereiche eines Substrates, beispielsweise in mehrere Chip-Bereiche eines HaIbleiterplättchens, Ionen implantiert werden können.

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Geräte, mit denen eine Vielzahl von Strahlen aus elektrisch geladenen Teilchen erzeugt werden können, sind bekannt. Beispielsweise ist aus dem US-Patent Nr. 3 770 934 ein Gerät zum Erhitzen großer Werkstücke mittels Elektronenbestrahlung bekannt, mit welchem eine Vielzahl von Elektronenstrahlen erzeugt wird, mit denen dann das Werkstück beschossen wird. Aus der US-Patentschrift Hr. 3 394 217 ist außerdem ein Verfahren und ein Gerät zum Kontrollieren einer Vielzahl von Elektronenstrahlen bekannt, bei bzw. mit dem ein Material, welches sich in einem Tiegel befindet, durch das Beschießen mit diesen Strahlen erhitzt wird. Es sei jedoch klargestellt, daß die Anforderungen an Heizgeräte auf der Grundlage von Elektronenstrahlen wesentlich verschieden sind von den Anforderungen, welchen Ionenimplantationsvorrichtungen zum definierten und reproduzierbaren Implantieren von Ionen genügen müssen. Es sind auch Vorrichtungen zum Bearbeiten von Werkstücken mittels Elektronenstrahlen bekannt, bei denen zur Erzeugung eines breiten lonenstrahles zunächst eine Vielzahl von Ionenstrahlen erzeugt werden, welche vor dem Auftreten auf dem Werkstück zu einem einzigen Strahl vereinigt werden. Es leuchtet unmittelbar ein,, da® solche Vorrichtungen nicht dazu geeignet sind, um gleichseitig in verschiedene, voneinander getrennte Bereiche auf einem Substrat Ionen zu implantieren.

Im US-Patent Nr. 3 491 236 wird eine Vorrichtung beschrieben, welche bei der Herstellung von Mustern mikroelektronischer Schaltungen Anwendung findet, mit der Elektronenstrahlmuster auf ein Substrat übertragen werden können, indem Bereiche des Substrats nacheinander belichtet werden. Dabei ist eine Matrix vorgesehen _g vor die Ablenkung des Elektronenstrahls zu den aufeinanderfolgenden Substratbereichen zu steuern. Die Matrix besteht aus einer Vielzahl von kleinen Linsen, wobei jede Linse dafür geeignet ist, um das Auftreffen eines Elektronenstrahls auf ein festgelegtes Gebiet des Substrats zu steuern. In dem genannten Patent wird

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auch vorgeschlagen, daß der eine Elektronenstrahl gleichzeitig auf eine Vielzahl der kleinen Linsen auftrifft und daß dann gleich' zeitig eine Vielzahl von Bereichen des Substrates gleichzeitig bestrahlt werden. Außerdem wird in diesem Patent gesagt, daß, sofern dies erwünscht ist, die Vorrichtung nicht nur zum Steuern eines Elektronen- sondern auch eines Ionenstrahls benutzt werden kann. Es ist jedoch offensichtlich, daß das in dem US-Patent beschriebene Gerät, einige Beschränkungen aufweist, welches seinen wirkungsvollen Einsatz zum Implantieren von Ionen verhindert. So bewirkt beispielsweise die erwähnte Matrix aus einer Vielzahl von kleinen Linsen, daß die Gebiete, die von Elektronenstrahlen getroffen wurden, welche von mehreren, einander benachbarten Linsen ausgehen, auf dem Substrat überlappen. Dies verhindert die bei der Ionenimplantation notwendige Auflösung der Ionenstrahlen und eine gleichmäßige 'und definierte Belegung mit Ionen in den zu bestrahlenden Bereichen.

Es kommt hinzu, daß die Raumladungswirkungen in einem Ionenstrahl sich wesentlich stärker wie in einem Elektronenstrahl auswirken. Deshalb ist die Verwendung einer ebenen Matrix, wie dies in der US-Patentschrift beschrieben ist, anders als bei Elektronenstrahlen für die Kontrolle einer Vielzahl von einzelnen, diskreten Ionenstrahlen ungeeignet.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mit der mittels mehrerer Ionenstrahlen in ein Substrat gleichzeitig an mehreren Stellen reproduzierbar Ionen implantiert werden können, wobei nur in genau definierten Bereichen homogen implantiert ■wird, die Bereiche, in welche die einzelnen Strahlen implantieren, sich nicht überlappen und die Anwendbarkeit bei der fabrikmäßigen Fertigung von mikrominiaturisierten Schaltungen gegeben ist.

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Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten •Art dadurch gelöst, daß eine Quellenelektrode vorgesehen ist, die eine Vielzahl von öffnungen aufweist, durch welche Ionen aus der Ionenquelle herausgesaugt werden, und die auf der Ionenaustrittsseite konkav ausgebildet ist, daß eine Saug- und eine Verzögerungselektrode je mit einer öffnung und mit Mitteln zu ihrer Erregung und ein die diskrete Natur der Ionenstrahlen nicht beeinflussender Ablenkmagnet in Strahlrichtung sich anschließen und daß eine Halterung zum Aufnehmen der zu bestrahlenden Probe vorhanden ist.

Mit der erfindungsgemaßen Vorrichtung ist es trotz der abstoßenden Wirkung, welche die Strahlen und die einzelnen Ionen aufeinander ausüben, möglich, die Strahlen von der Quelle bis zum Auftreffen auf der Probe im wesentlichen parallel zu halten. Es tritt dabei also keine wesentliche Verbreiterung des Strahlenbündels und keine Überlappung der einzelnen Strahlen ein. Diese Betriebsweise ist allerdings nicht zwingend, wenn dies erwünscht ist, so ist es auch möglich, die einzelnen Strahlen überlappen zu lassen. Im allgemeinen dürfte es aber erwünscht sein, daß die auftreffenden Strahlen einen definierten Durchmesser haben und nur in festgelegte voneinander getrennte Bereiche des Substrats Ionen implantieren.

Die vorteilhafte und erwünschte Parallelität der Ionenstrahlen ist erreichbar, weil die Spannungen zum Erregen der Quellen- und der Saugelektrode so einstellbar sind, daß mit der Unterstützung der Konkavität der Quellenelektrode die Abstoßungskräfte zwischen den einzelnen Strahlen ausgeglichen werden können.

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In vorteilhafter Weise läßt sich der Durchmesser der einzelnen Ionenstrahlen und der Abstand zwischen den einzelnen Strahlen dadurch stabilisieren, daß die Ionenquelle so ausgestaltet ist, daß in ihr eine hohe Ionendichte erzeugt werden kann. Eine hohe Ionendichte reduziert außerdem die für die Implantation notwendige Zeit.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich in vorteilhafter Weise verwenden, wenn die Quellenelektrode zwischen vier und einigen hundert öffnungen aufweist. Dabei werden besonders günstige Ergebnisse erzielt, wenn die Quellenelektrode eine Zahl von öffnungen aufweist, welche in der Größenordnung von 35 liegt.

Die Vorrichtung läßt sich mit günstigen Betriebswerten betreiben und ergibt besonders vorteilhafte Ergebnisse, wenn der Kurvenradius der konkav ausgebildeten Quellenelektrode zwischen etwa 50,8 und etwa 177,8 mm beträgt.

Es ist vorteilhaft, wenn die öffnungen in der Quellenelektrode symmetrisch zu einer zentralen öffnung angeordnet sind.

Die Erfindung wird anhand von durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Ionenimplantationsvorrichtung, welche entsprechend der Erfindung konstruiert worden ist,

Fig. 2 in Frontansicht eine konkav ausgebildete Quellenelektrode, welche mit einer Vielzahl von öffnungen ausgestattet ist und welche für den Gebrauch in einer Vorrichtung, wie sie die Fig. zeigt, geeignet ist, und

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Fig. 3 eine Seitenansicht der in der Fig. 2 gezeigten

Elektrode.

In den Zeichnungen, besonders in der Fig. 1, ist eine Ionenimplantationsvorrichtung gezeigt, die geeignete Elemente enthält, um eine vielfache Ionenstrahlkonfiguration zu erzeugen. Es sei darauf hingewiesen, daß Fig. 1 eine schematische Darstellung zeigt und daß davon ausgegangen wird, daß die hier beschriebene Vorrichtung auch die im allgemeinen in einer konventionellen Ionenimplantationsvorrichtung mit einem Ionenstrahl vorgesehenen Teile, wie z.B. die Ionenquelle, den elektrostatischen Fokussierbereich, den Beschleunigungsbereich, den Strahlablenkungsbereich und den Bereich, in welchem sich die Probe, in welche Ionen implantiert werden sollen, befindet, enthält. Beispielsweise ist in dem US-Patent Nr. 3 756 862 (entspricht OS 22 62 024) eine Ionenimplantationsvorrichtung mit einem einzigen Ionenstrahl beschrieben, welche alle notwendigen Elemente enthält, um Ionenimplantationen mit hoher Auflösung bei der Herstellung von mikrominiaturisierten elektronischen Teilen durchzuführen.

In der Fig. 1 ist eine Ionenimplantationsvorrichtung 10 gezeigt, welche ganz allgemein eine Ionenquelle 12 enthält. In der dargestellten Vorrichtung enthält die Ionenquelle 12 einen Heizdraht, welcher Elektronen, welche dann durch Stoßionisation Ionen erzeugen, erzeugt, und ist dafür geeignet, mittels einer oszillierenden Elektronenentladung betrieben zu werden. Die Ionenquelle 12 kann jedoch auch aus irgendeiner geeigneten Quelle hoher Dichte bestehen. Eine Quellenelektrode 14 mit vielen öffnungen ist in der Fig. 1 und insbesondere in den Fign. 2 und 3 gezeigt. Die Elektrode 14 ist aus einer Platte, welche aus einem leitfähigen Material besteht, wie z.B. Graphit, hergestellt und enthält eine Vielzahl von öffnungen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiei sind die öffnungen auf dem Umfang von drei konzentrischen Kreisen angeordnet, wobei auf dem innersten Kreis 6, auf dem mittleren Kreis 12 und auf dem äußersten Kreis 16 und außerdem im Zentrum eine öffnung sich befinden.

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Das Öffnungsmuster hat einen Durchmesser von etwa 30,5 mm. In der gezeigten Ausführungsform ist jede der öffnungen 15 innerhalb der Quellenelektrode angekörnt und hat deshalb eine konische Erweiterung mit einem öffnungswinkel zwischen 80 und 90°, durch welche die Ionen hindurchtreten können. Die konische Ausbildung ist allerdings nicht zwingend. Die Platte, aus welcher die Quellenelektrode hergestellt ist, hat weiter, wie insbesondere die Fig. 3 zeigt, eine konkave Ausbildung, was durch irgendwelche Mittel, beispielsweise durch eine spanabhebende Bearbeitung (machining) erreicht werden kann. In der gezeigten Ausführungsform wird davon ausgegangen, daß der Radius der konkaven Krümmung zwischen 50,8 und 177,4 mm liegt, was benötigt wird, um die optischen Eigenschaften des Absaugsystems den übrigen optischen Einrichtungen des Implantationssystems anzugleichen. Die Quellenelektrode ist im übrigen, wie gezeigt wird, dafür eingerichtet, bei einem positiven Potential V+ betrieben zu werden, welches entsprechend der gewünschten Strahlenergie von der Quelle für die Saugspannung geliefert wird.

Es sei klargestellt, daß die Quellenelektrode mit jeder gewünschten Vielzahl von öffnungen* welche zwischen 4 oder 5 bis zu mehreren hundert liegen kann hergestellt werden kann, und daß die öffnungen gemäß irgendeinem passenden Muster angeordnet sein können, um in der Lage zu sein, eine Vielzahl von Ionenstrahlen zum Implantieren in mikroelektronische Chips welche in einer , ,besonderen Konfiguration auf einem Plättchen, welches beschossen wird, angeordnet sind, zu erzeugen.

Eine Beschleunigungs- bzw. Saugelektrode 16 ist auch vorgesehen. , Mittels der Verzögerungsspannungsquelle läßt sich ein negatives ■Potential V- an die Elektrode 16 legen, um Ionen aus der Quelle ^! herauszusaugen und um Sekundärelektronen in dem abgehenden (downstream) Strahl aufrecht zu erhalten, wobei Neutralisation erreicht wird und eine unerwünschte Ausdehnung des Ionenstrahls verhindert wird. Eine Verzögerungselektrode 18 ist auch vorgesehen, die dafür eingerichtet ist, auf Grundpotential gehalten zu werden. Es sei festgestellt, daß die hier angegebenen Vor-

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Spannungen zwar geeignet sind, um die beschriebene Ionenvorrichtung zu betreiben, daß aber solche Spannungen beim Betrieb der Vorrichtung variiert werden können, wenn dies erwünscht ist.

Die Vielzahl von Ionenstrahlen, welche aus der Ionenquelle mittels der beschriebenen Elektrodenanordnung herausgesaugt werden, werden längs einer Strahlbahn, welche ganz allgemein mit 21 bezeichnet wird, in einen doppelten fokussierenden Ablenkungsmagneten 22 von konventioneller Bauart geleitet. Die Vielzahl paralleler Strahlen wird weiter definiert durch Spalte 24 und 26 auf jeder Seite des Ablenkungsmagneten und der Strahl wird dann auf eine ganz allgemein mit 28 bezeichnete zu bestrahlende Probe fokussiert. Wie gezeigt, gehört zu der Vorrichtung ein eine Maske definierender Spalt 27.

Beim Ionenimplantieren mit der beschriebenen Vorrichtung ist eine zu bestrahlende Probe vorgesehen, welche aus einem konventionellen Plättchen besteht, welches eine Vielzahl von mikroelektronischen Chips trägt, in welche Ionen implantiert werden sollen, indem sie Ionenstrahlen ausgesetzt werden.

Das gezeigte Elektrodensystem wird dazu benutzt, um eine Vielzahl von voneinander getrennten Ionenstrahlen, welche aus der Quelle 12 stammen, bereitzustellen, wobei die anfängliche Orientierung der Öffnungen, wegen der konkaven Ausbildung der Elektrode 14 so ist, daß die individuellen Strahlen konvergieren. Andererseits tendieren die individuellen Strahlen zum Divergieren, während sie entlang dem Strahlweg fortschreiten. Dies beruht auf dem Vorhandensein einer elektrostatischen Abstoßung, welche durch die Raumladung der Ionen hervorgerufen wird, zwischen den einzelnen Strahlen. Aus diesem Grund wird die Beschleunigungselektrode auf einer negativen Spannung gehalten, welche zusammen mit dem konvergierenden Einfluß der Quellenelektrode 14 ein Feld erzeugt, welches die Vielzahl von Strahlen in einem Ausmaß zum Konvergieren bringt, welche die Tendenz der Strahlen zum Diver-

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gieren aufgrund der Raumladungseigenschaftenüberwindet. Es ist gefunden worden, daß die Anwendung einer Beschleunigungs- und einer Verzögerungselektrode, welche je eine einzelne große Öffnung haben, zusammen mit einer Quellenelektrode mit vielen Öffnungen wie in der gezeigten Anordnung mehrere Vorteile, wie z.B. eine verbesserte Fokussierung, gegenüber einem Beschleunigungs-Verzögerungs-System mit vielen Öffnungen hat, weil das Ausbalancieren der Strahldimensionen mit dem gesamten optischen System weniger kritsch ist und weil das Aufprallen von Ionen auf die Beschleunigungs-- und Verzögerungselektroden vermindert ist. Das System bringt auch als Ergebnis des minimalen Ionenaufpralls eine verbesserte Transporteffizienz von der Quelle zu der zu bestrahlenden Probe. Darüberhinaus wird die Lebensdauer der Elektroden wesentlich verlängert und damit parallel geht eine entsprechende Erhöhung der Zuverlässigkeit.

Die Dichte der Ionen, welche gegen die Quellenelektrode gedrückt werden, strebt danach, den Durchmesser jedes individuellen Ionenstrahls während der Absaugungfestzulegen. Infolgedessen neigt die Ionendichte innerhalb der Quelle dazu, den Strahlabstand zu beeinflussen. Entsprechend wird eine Quelle mit hoher Ionendichte benutzt, um die Bildung und Aufrechterhaltung von abgesonderten Ionenstrahlen zu begünstigen.

Es wurde gefunden, daß bei Anwendung der gezeigten Konfiguration 35 abgesonderte Ionenstrahlen erzeugt und in einer parallelen Konfiguration entlang dem Strahlweg 21 in den Ablenkungsmagnet hinein aufrecht erhalten werden können. Die Strahldurchmesser (beam spot diameter) liegen in der Größenordnung von 150 pm vor der Ablenkung durch den Magneten.

Es wurde gefunden, daß wenn eine Ionenquelle mit hoher Ionendichte und eine Vielzahl von Ionenstrahlen der beschriebenen Konfiguration benutzt werden, man eine geeignete Ionenimplantation auf einen

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gegebenen Chip mittels eines individuellen Strahls innerhalb einer gegenüber dem Zeitbedarf bei der Anwendung eines abtastenden intensiveren einzelnen Ionenstrahles, stark reduzierten Zeit durchführen kann. Deshalb bewirkt das beschriebene System eine wesentlich reduzierte Betriebszeit beim Implantieren von Ionen in eine Vielzahl von Chips auf einer gegebenen, zu bestrahlenden Probe.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Vorrichtung zum Implantieren von Ionen, mit der eine Probe gleichzeitig mit mehreren Ionenstrahlen bestrahlt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß eine Quellenelektrode (14) vorgesehen ist, die eine Vielzahl von öffnungen (15) aufweist, durch welche Ionen aus der Ionenquelle (12) herausgesaugt werden und die auf der Ionenaustrittsseite konkav ausgebildet ist, daß eine Saug- (16) und eine Verzögerungselektrode (18) je mit einer öffnung und mit Mitteln zu ihrer Erregung und ein die diskrete Natur der Ionenstrahlen nicht beeinflußender Ablenkmagnet (22) in Strahlrichtung sich anschließen und daß eine Halterung zum Aufnehmen der zu bestrahlenden Probe (28) vorhanden ist.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen zum Erregen der Quellen- (14) und der Saugelektrode (16) so einstellbar sind, daß mit Unterstützung der Konkavität der Quellenelektrode (14) die Abstoßungskräfte zwischen den einzelnen Strahlen ausgeglichen werden können.

Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle (12) so ausgestaltet ist, daß in ihr eine hohe Ionendichte erzeugt werden kann.

Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellenelektrode (14) zwischen vier und einigen hundert öffnungen (15) aufweist.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellenelektrode (14) eine Zahl von Öffnungen (15) aufweist, welche in der Größenordnung von 35 liegt.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (15) in der Quellenelektrode (14) symmetrisch zu einer zentralen Öffnung (15) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurvenradius der konkav ausgebildeten Quellenelektrode (14) zwischen etwa 50,8 und etwa 177 mm beträgt.

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