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1. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ionenimplantationsvorrichtung
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine derartige Ionenimplantationsvorrichtung ist bereits aus: Nuclear
Instruments and Methods in Physics Research, Vol B 37/38, 1989, Seiten 612 - 615
bekannt. Diese bekannte Ionenimplantationsvorrichtung enthält:
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- eine Ionenquelle mit einer Lichtbogenkammer zur Erzeugung von Ionen
sowie mit einer Herausziehelektrode, um Ionen aus der Lichtbogenkammer
herauszuziehen;
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- einen Massenseparator zum Transportieren nur solcher Ionen der
herausgezogenen Ionen, die zur Implantation in einem Material erforderlich sind, in
welches Ionen implantiert werden sollen;
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- eine Ionenimplantationskammer, in welcher das Material angeordnet ist,
und
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- eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Größe des Stroms und der
Stromdichteverteilung des durch die Ionenquelle zur Verfügung gestellten
Ionenstrahls, wobei die Steuereinrichtung so ausgebildet ist, daß sie die Größe des
Stroms und die Stromdichteverteilung durch Steuerung des Abstandes d
zwischen der Lichtbogenkammer und der Herausziehelektrode einstellt.
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Die Figur 4 zeigt ein Diagramm eines anderen Beispiels einer konventionellen
Ionenimplantationsvorrichtung, die z. B. in der offengelegten Japanischen
Patentpublikation Nr.62-241247 offenbart ist. Entsprechend der Figur 4 gelangt ein
Ionenstrahl 22 in eine Ionenimplantationskammer 21 und wird durch eine
Ionenstrahl-Korrekturlinse 27 korrigiert. Nach der Korrektur durchläuft der korrigierte
Ionenstrahl 22 eine Ionenstrahl-Meßeinrichtung 33, die als Sensor einer
Steuereinrichtung 32 zur Steuerung der Ionenstrahl-Korrekturlinse 27 dient. Sodann
durchläuft der Ionenstrahl 22 einen Faraday Käfig 34 und wird in eine Scheibe 24
implantiert, die sich auf einer rotierenden Scheibe 23 befindet. Diese rotierende
Scheibe 23 ist mit einem Ionenstrahl-Ampermeter 26 verbunden.
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Der Betrieb wird nachfolgend näher erläutert.
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Der Ionenstrahl 22 kommt von der linken Seite in Figur 4 und tritt dann in die
Ionenimplantationskammer 21 ein. Dabei wird er in den Wafer 24 implantiert, der
sich auf der rotierenden Scheibe 23 befindet. Die Scheibe 23 dient als Boden des
Faraday Käfigs 34, wobei sich die Stärke des Ionenstrahls, der den Faraday Käfig
34 durchläuft, durch das mit der Scheibe 23 verbundene
Ionenstrahl-Ampermeter 26 messen läßt. Der Ionenstrahl 22 durchläuft die Ionenstrahl-Korrekturlinse
27 sowie die Ionenstrahl-Meßeinrichtung 33, gerade bevor er den Faraday Käfig
34 erreicht.
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Die Figur 5 zeigt die Ionenstrahl-Meßeinrichtung 33, gesehen von der Seite des
Wafers 24. Entsprechend der Figur 5 wird eine Probe 29 aus einem Metall mit
hohem Schmelzpunkt durch einen Motor 40 angetrieben, so daß sie sich um einen
geeigneten Winkel dreht und den Ionenstrahl 22 vertikal kreuzt. Dabei fließt ein
Strom über das Ampermeter 41. Ein Potentiometer und ein Dreh encoder sind mit
dem Motor 40 verbunden, wobei ein vom Ampermeter 41 erhaltenes Signal durch
ein Oszilloskop bei geeigneter Synchronisation überwacht wird. Im Ergebnis wird
die Wellenform gemäß Figur 6 erhalten. Mit anderen Worten lassen sich anhand
der Wellenform und der Positionen a und b in Figur 6 eine Vertikallänge, eine
Position und eine ungefähre Konfiguration des Ionenstrahls ermitteln. Der Computer
32 empfängt diese Information und steuert die Ionenstrahl-Korrekturlinse 27, um
dadurch den Ionenstrahl 22 zu korrigieren.
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Die Ionenstrahl-Korrekturlinse 27 befindet sich jedoch vor der rotierenden
Scheibe 23 bei der konventionellen Ionenimplantationsvorrichtung, so daß sie relativ
groß ist und einen komplizierten Aufbau aufweist. Ihre Herstellungskosten sind
daher ebenfalls hoch. Wird darüber hinaus die Strahlkorrekturlinse 27
eingesetzt, so vergrößert sich der Strahltransportabstand, was zur Folge hat, daß sich
auch die Anzahl der Ionen erhöht, die mit neutralen Partikeln kollidieren und
während ihres Transports gestreut werden. Dies führt zu einer reduzierten
Transporteffizienz des Strahls. Um dies zu verhindern, sollte die Korrekturlinse
weggelassen werden, so daß ein kürzerer Transportabstand für den Strahl möglich
wäre. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei
Hochstrom-Ionenimplantationsvorrichtungen, bei denen die Transporteffizienz des Strahls eine große Rolle spielt. Hier
kann es sich z. B. um eine Ionenimplantationsvorrichtung vom
Vorabscheidungstyp handeln, die gegenwärtig am häufigsten benutzt wird und z. B. offenbart ist im
"Electron and Ion Beam Handbook". Im zuletzt genannten Fall ist jedoch keine
Ionenstrahl-Korrekturlinse vorhanden, so daß es schwierig ist, Strom und
Stromdichte
des Ionenstrahls in geeigneter Weise zu steuern.
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Ionenimplantationsvorrichtungen, die keine Ionenkorrekturlinse erfordern, bei
denen jedoch trotzdem eine Steuerung des Stroms und der Stromdichte des
Ionenstrahls möglich ist, sind bekannt aus Patent Abstracts of Japan, Vol 13, No. 150
(E-742) (3498) (Abstract for JP-A-63 310549) und aus Patent Abstracts of Japan,
Vol 12, No. 115 (E-599) (2962) (Abstract for JP-A-62 243231). Die Vorrichtung
gemäß der zuerst genannten Druckschrift enthält eine Strommeßeinrichtung und
Scheibenelemente, die durch eine Scheibenantriebssteuerung in einer Weise
gedreht werden, daß der gemessene Ionenstrom auf einen spezifischen Wert
eingestellt wird. Bei der Vorrichtung der zuletzt genannten Druckschrift wird ein
vorbestimmter Ionenstrahlstrom eingestellt, wonach die Ionenstrahl-Stromdichte an
einer Mehrzahl von Punkten gemessen wird. Wird eine bestimmte Stromdichte
beim Betrieb der Vorrichtung gewünscht, so wird ein entsprechender
Ionenstrahlstrom vorgegeben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ionenimplantationsvorrichtung
zu schaffen, die die Größe des Stroms und die Stromdichteverteilung eines
Ionenstrahls durch einfache Mittel steuern kann und keine Ionenstrahl-Korrekturlinse
enthält.
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Die Ionenimplantationsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist durch
die Lehre des Anspruchs 1 definiert. Bei dieser Vorrichtung ist die
Steuereinrichtung so ausgebildet, daß sie den Abstand zwischen der Lichtbogenkammer und
der Herausziehelektrode einstellt. Nach der Erfindung erfolgt diese Steuerung
durch Rückkopplung unter Durchführung einer Messung mit einer Ionenstrahl-
Meßeinrichtung sowie durch Einstellen des Abstands derart, daß das Meßsignal
bei Werten gehalten wird, die einen vorgegebenen Wert nicht überschreiten.
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Erfolgt die Rückkopplungssteuerung unter Verwendung der
Ionenstrahidichteverteilungs-Meßvorrichtung so, daß eine maximale Größe des
Implantationsstroms erhalten wird, welcher eine vorgegebene maximale Stromdichte nicht
überschreitet, so ist es möglich, den Ionenstrahl mit hoher Produktivität und
Ausbeute (niedrigem elektrostatischem Durchschlagkoeffizienten) zu steuern.
Es zeigen:
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Figur 1 den Aufbau einer Ionenimplantationsvorrichtung nach der vorliegenden
Erfindung;
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Figur 2 eine Relation zwischen einem zwischen einer Lichtbogenkammer und
einer Strahlherausziehelektrode vorhandenen Abstand d und einem Strahlstrom
einerseits sowie eine Relation zwischen dem genannten Abstand d und einer
Stromdichteverteilung des Strahls andererseits;
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Figur 3 eine Darstellung einer akkumulierten Strahlstromverteilung in
Scheibenabtastrichtung, wenn d die Werte i bis iv annimmt;
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Figur 4 ein Bespiel einer Ionenimplantationsvorrichtung mit konventioneller
Ionenstrahl-Korrekturlinse;
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Figur 5 eine Ionenstrahl-Meßeinrichtung der Vorrichtung nach Figur 4: und
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Figur 6 eine mit Hilfe der Ionenstrahl-Meßeinrichtung nach Figur 5 detektierte
und durch ein Oszilloskop überwachte Stromdichteverteilung.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
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Die Figur 1 zeigt den Aufbau einer Ionenimplantationsvorrichtung nach der
vorliegenden Erfindung. In Figur 1 enthält eine Ionenquelle 1 eine Bogen- bzw.
Lichtbogenkammer 2 zur Erzeugung von Ionen, sowie eine Herausziehelektrode 3 zum
Herausziehen von Ionen aus der Lichtbogenkammer 2. Durch einen
Massenseparator 25 wird ein Ionenstrahl 11b mit gewünschten Ionen einem Ionenstrahl 11a
entnommen, der durch die Herauszlehelektrode 3 herausgezogen wurde, wonach
der Ionenstrahl 11b in eine Ionenimplantationskammer 5 eintritt. Innerhalb der
Ionenimplantationskammer 5 befindet sich eine rotierende Scheibe 6, wobei die
rotierende Scheibe 6 einen Wafer 28 trägt. Eine Ionenstrahl-Meßeinrichtung 7
befindet sich unterhalb der rotierenden Scheibe 6. Eine Steuereinrichtung 10
steuert einen Herausziehelektroden-Antriebsmechanismus 8 in Übereinstimmung
mit von der Ionenstrahl-Meßeinrichtung 7 erhaltenen Daten.
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Der Betrieb wird nachfolgend im einzelnen erläutert.
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Innerhalb der Lichtbogenkammer 2 der Ionenquelle 1 erzeugte Ionen werden
durch die Strahlherausziehelektrode 3 herausgezogen und als Ionenstrahl 11a
abgestrahlt. Der Ionenstrahl 11a durchläuft einen Massenseparator 25 und tritt
dann als Ionenstrahl 11b, der nur noch gewünschte Ionen enthält, in die
Ionenimplantationskammer 5 ein. Die in die Ionenimplantationskammer 5 gelangenden
Ionen werden in den Wafer 28 implantiert, der sich auf der rotierenden Scheibe 6
innerhalb der Ionenimplantationskammer
5 befindet.
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Die Ionenstrahl-Meßeinrichtung 7 zur Messung der Größe des Stroms und einer
Stromdichteverteilung des Ionenstrahls befindet sich im unteren Teil bzw.
unterhalb der rotierenden Scheibe 6 an einer Position, die derjenigen entspricht, an der
der Ionenstrahl 11b vorhanden ist. Von der Ionenstrahl-Meßeinrichtung 7
erhaltene Daten werden von der Steuereinrichtung 10 empfangen und verarbeitet, um
auf diese Weise den Herausziehelektroden-Antriebsmechanismus 8 zu steuern.
Im Ergebnis wird der Abstand zwischen der Lichtbogenkammer 2 und der
Herausziehelektrode 3 eingestellt, um auf diese Weise die Ionenstrahlen 11a und 11b zu
korrigieren.
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Es sei darauf hingewiesen, daß sich der Ionenstrahl mit höchster Präzision
messen läßt, beispielsweise durch Abtasten eines Ionenstrahldetektors vom
Mehrloch-Faraday-Typ, welcher als Ionenstrahl-Meßeinrichtung 7 zum Einsatz
kommen kann. Es kann aber auch derselbe Typ von Ionenstrahl-Meßeinrichtung 23
verwendet werden, wie er bei der konventionellen Vorrichtung gemäß Figur 4
vorhanden ist.
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Gemäß Figur 1 wird der Ionenstrahl durch die Strahlherausziehelektrode 3 aus
der Lichtbogenkammer 2 herausgezogen. Da der Ionenstrahl aus positiven
elektrischen Ladungen besteht, tritt insbesondere bei hoher Ionendichte eine
Ionenstreuung durch abstoßende Kräfte zwischen den Ionen auf. Dieses
Phänomen bezeichnet man allgemein auch als durch Raumladungen von Ionen erzeugte
Divergenz. Zuerst wird eine Steuerung (primäre Steuerung) unter
Nichtberücksichtigung der von der Raumladung erzeugten Divergenz durchgeführt. Ein
Abstand D zwischen einer Strahlherausziehelektrode 3, der zu einem minimalen
Strahldivergenzwinkel führt, wenn die durch die Raumladung erzeugte Divergenz
nicht beachtet wird, und der Lichtbogenkammer 2 ergibt sich durch die Theorie
und einen numerischen Ausdruck von Junzo Ishikawa, veröffentlicht in "Ion
Source Engineering", Seiten 178 - 186 durch Ionics Kabushiki Kaisha wie folgt:
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Hierin sind S der Bereich eines Herausziehlochs, C eine Konstante, die bei einem
kreisförmigen Herausziehloch den Wert 0,6 und bei einem schlitzförmigen
Herausziehloch den Wert 0,68 aufweist, ε&sub0; die Dielektrizitätskonstante des
Vakuums, α eine effektive spezifische Ladung, I ein Herausziehstrom und V eine
Herausziehspannung.
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Die o. g. effektive spezifische Ladung α läßt sich durch folgende Gleichung
ausdrücken:
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Hierin sind mi eine Masse, Ii eine Ionisationszahl und Ii die Größe eines Stroms
für jedes Ion im Strom I, während e die Elementarladung ist.
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Die Werte S und C sind konstante Werte, die jeweils vom Typ der verwendeten
Vorrichtung abhängen, während V und I in Übereinstimmung mit
Implantationsbedingungen eingestellt werden. Wird der Wert α in Übereinstimmung mit I z. B.
experimentell ermittelt, so berechnet die Steuereinrichtung 10 einen Wert D durch
mehrere arithmetische Operationen und stellt die Position der
Strahlherausziehelektrode 3 über die Antriebseinrichtung 8 ein, um den
Strahlherausziehbetrieb bei bester Konvergenz durchzuführen, wenn die durch die Raumladung
verursachte Divergenz unberücksichtigt bleibt. Die oben beschriebene Steuerung ist
die primäre Steuerung.
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Darüber hinaus läßt sich der Wert von α in einfacher Weise durch ein Experiment
unter Verwendung eines Massenseparators 25 bestimmen.
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Der herausgezogene Ionenstrahl durchläuft den Massenseparator 25, so daß ein
Strahl separiert wird, der nur geforderte Ionen enthält. Anschließend gelangt der
Strahl zum Wafer 28, der auf der rotierenden Scheibe 6 liegt, welche sich in der
Ionenimplantationskammer 5 befindet. Die Ionenstrahl-Meßeinrichtung 7 mißt die
Größe des Stroms und eine Stromdichteverteilung des Strahls, der den Wafer 28
bestrahlt. Wird zu dieser Zeit die durch die Raumladung erzeugte Divergenz des
Strahls vernachlässigt, so zeigt die gemessene Größe des Stroms einen
Maximalwert.
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Kann jedoch der Einfluß der Raumladung nicht vernachlässigt werden, und ist die
Größe des Stroms nicht maximal oder treten beträchtliche Schwankungen der
Stromdichte auch dann auf, wenn die Größe des Stroms maximal ist, und müssen
diese Schwankungen korrigiert werden, so läßt sich die folgende präzisere
Steuerung durchführen.
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Die Figur 2 zeigt eine graphische Darstellung von d (Abstand zwischen
Lichtbogenkammer und Herausziehelektrode) in Abhängigkeit der Größe des Stroms des
Ionenstrahls einerseits sowie in Abhängigkeit einer Stromdichteverteilung des
Ionenstrahls andererseits, wobei Strom und Stromdichteverteilung jeweils durch
die Ionenstrahl-Meßeinrichtung 7 gemessen wurden. Die horizontale Achse in
Figur 2 zeigt, daß d in gleichen Schritten erhöht wird, und zwar in der Reihenfolge 1,
ii, iii und iv. Figur 3 zeigt eine Stromdichteverteilung eines akkumulierten Strahls
in Scheibenabtastrichtung bei jeder der Positionen i bis iv. Wie die Figuren 2 und 3
erkennen lassen, hat eine Variation von d denselben Effekt auf den Strahl wie eine
Konvergenzlinse. Wird daher der Wert von d in Richtung auf die Position iv
verändert und führt dann die Steuereinrichtung 10 eine Rückkopplungssteuerung
durch, so kann die durch die Ionenstrahl-Meßeinrichtung 7 gemessene Größe des
Stroms maximal sein. Wird die Stromdichteverteilung gleichförmig gemacht, so
wird zusätzlich der Wert von d in Richtung i verändert, wobei die
Steuereinrichtung 10 eine Rückkopplungssteuerung durchführt und die
Stromdichteverteilung der Ionenstrahl-Meßeinrichtung 7 überwacht. Als Überwachungsparameter
zu dieser Zeit kann z. B. ein Wert eingestellt werden, der eine maximale
Stromdichte ist oder ein solcher, der sich aus maximaler Stromdichte/mittlere
Stromdichte ergibt, wobei dann ein maximaler Wert des Stroms, der den eingestellten
Wert nicht überschreitet, durch die Steuereinrichtung 10 erhalten werden kann.
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Da, wie oben beschrieben, der Ionenstrahl ohne Ionenstrahl-Korrekturlinse
eingestellt werden kann, wird der Strahltransportabstand nicht vergrößert. Die
Größe des Stroms und die Stromdichteverteilung des Ionenstrahls lassen sich
vielmehr automatisch steuern, ohne daß sich die Strahltransporteffizienz verringert.
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Es liegt auf der Hand, daß die obige Steuerung auch bei einer Seriensteuerung
verwendet werden kann, bei der eine kontinuierliche Steuerung in Echtzeit
erfolgt, oder bei einem Chargenprozeß, bei dem der Ionenstrahl in geeigneten
Zeitintervallen eingestellt wird.
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Bei der obigen Steuerung erfolgt die Überwachung des Ionenstrahls nach
Durchlauf durch den Massenseparator. Der Ionenstrahl kann aber auch schon
überwacht werden, bevor er den Massenseparator durchläuft. Dabei ist es jedoch
insbesondere dann, wenn die Stromdichteverteilung gesteuert werden soll,
erforderlich, vorher Korrelationen zwischen den Stromdichteverteilungen des
Ionenstrahls vor und hinter der Massenseparation zu erhalten, beispielsweise durch
Berechnung.