DE19618734A1 - Ionenquelle für eine Ionenstrahlanlage - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ionenquelle für eine Ionenstrahlanlage gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Ionenquellen finden ihre technische Anwendung in Bereichen, in denen ein großflächiger homogener Ionenstrahl erforder­ lich ist. Dies ist beispielsweise bei der Großflächenionen­ implantation zur Dotierung von Halbleitern, bei der Tribo­ logie zur Oberflächenhärtung und bei der ionenstrahlunter­ stützten Beschichtung der Fall.

Der Trend in der Ionenimplantation für die hochintegrierte Mikroelektronik geht zu geringeren Ionenenergien bei größe­ ren Implantationsflächen. Die Höchstintegration mit mehr als 10⁷ Bauelementen pro Schaltung verlangt eine Reduzierung der pn-Übergangstiefe. Zum Beispiel sind in der CMOS-Technologie für die Drain und die Source ultrafache pn-Übergänge mit einer Tiefe von weniger als 100 nm erforderlich. Die Her­ stellung von immer flacheren pn-Übergängen bereitet vor allem bei der Implantation von Bor für p⁺-Gebiete große technologische Schwierigkeiten. Die hierfür erforderlichen Anforderungen an die Ionenimplantation, wie z. B. eine ge­ ringe Ionenenergie deutlich unterhalb von 30 keV, hoher Ionenstrom bzw. hoher Durchsatz, paralleler Strahl bei großen Implantationsflächen und hohe Homogenität werden von derzeit erhältlichen kommerziellen Anlagen nicht erfüllt.

Ein weiteres Leistungsmerkmal für zukünftige Halbleiterfer­ tigungsgeräte ist die Integrierbarkeit in sogenannten Mehr­ kammerprozeßanlagen, die auch als Cluster-Systeme bezeichnet werden. Dies erfordert die Entwicklung kleiner Prozeßmodule, die von einem zentralen Roboter mit Prozeßscheiben bedient werden können. Solche System haben den Vorteil, daß mehrere Prozeßschritte in einer Anlage ausgeführt werden können. Durch die steigende Anzahl an Prozeßschritten bei der Halb­ leiterfertigung und höhere Anforderungen an die Flexibilität des Fertigungsprozesses gewinnen solche Anlagen immer mehr an Bedeutung. Herkömmliche Implantationsanlagen eignen sich nicht für eine Integration in eine Mehrkammerprozeßanlage, da sie in ihren Abmessungen zu groß sind. Die immer kom­ plexer und teuerer werdenden kommerziellen Anlagen erfordern weiterhin einen hohen Wartungsaufwand und eine große Rein­ raumfläche, was wiederum zu hohen Betriebskosten führt.

Um den genannten Anforderungen Rechnung tragen zu können, ist eine neue Ionenstrahltechnologie nötig. Eine Möglichkeit bietet die sogenannte "Plasma Immersion Ion Implantation", kurz PIII. In solchen Anlagen wird mittels hochfrequenter elektromagnetischer Anregungen ein Plasma in der Implanta­ tionskammer ausgebildet. Die Ionendichte in diesem Bereich beträgt in der Regel 10¹⁰ bis 10¹¹ cm^-3. Durch Anlegen einer negativen Spannung, die bis zu einigen Kilovolt betragen kann, werden die positiven Ionen aus dem Plasma in Richtung einer Probe, die zu bearbeiten ist, beschleunigt. Eine PIII-Anlage hat eine Reihe von Vorteilen, wie z. B. hoher Ionenstrom, niedrige Prozeßkosten und ist ein kompaktes, wartungsarmes System, welches sich sehr gut für Mehrkammer­ prozeßanlagen eignet.

Obwohl das PIII-Verfahren schon lange bekannt ist, konnte es sich bisher nicht bei der Implantation bei der Halbleiter­ technologie durchsetzen. Die Gründe hierfür sind die un­ scharfe Energieverteilung (Energiekontamination), die inho­ mogene Dosisverteilung und die Kontamination der Proben mit Schwermetallen oder unerwünschten Ionenarten.

Bekannte Ionenquellen für die Erzeugung großflächiger Ionen­ strahlen sind die Hochfrequenz- und die Elektro-Zykletron- Resonanz-Ionenquelle.

Bei Hochfrequenz-Ionenquellen (HF-Ionenquelle) liegt der Ar­ beitsdruck bei etwa 10^-3 bis 10^-2 mbar. Bei diesen Ionen­ quellen ist die einfache Bauart und der geringe Leistungsbe­ darf von Vorteil. Die Hochfrequenz wird kapazitiv bzw. in­ duktiv eingekoppelt. Ist ein sehr sauberes Plasma erforder­ lich, besteht der Plasmareaktor aus einem Quarzdom. Durch die Verwendung eines Quarzdoms wird die Hochfrequenzeinkopp­ lung und ein gleichmäßig verteilter Gaseinlaß in den Plasma­ raum erschwert. Um diese Nachteile, die zu inhomogenen Ionenverteilungen und höheren Arbeitsdrücken führen, zu ver­ meiden, werden bei vielen Herstellern Metallteile im Plas­ maraum eingesetzt. Dies wiederum führt zu einer Metallkonta­ mination auf den Prozeßscheiben und schließt eine Verwendung dieser Ionenquellenart für die großflächige Ionenimplanta­ tion aus. Die herkömmlichen großflächigen HF-Ionenquellen sind deshalb nur für Ionenätzen geeignet. Da beim Ätzen sich die Kontaminationen an der Oberfläche befinden und nicht in den Halbleiter implantiert werden, können diese wieder ent­ fernt werden.

Elektron-Zykletron-Resonanz-Ionenquellen (ECR-Ionenquellen) zeichnen sich aufgrund der Elektron-Zykletron-Resonanz durch eine höhere Plasmadichte (10¹² bis 10¹³ cm^-3) als Hochfre­ quenzplasmen (10¹⁰ bis 10¹¹ cm^-3) aus. Daher arbeiten diese Quellen bei einem geringeren Prozeßdruck im Bereich von 10^-5 bis 10^-2 mbar. Ein Nachteil der ECR-Ionenquellen ist die durch das Magnetfeld entstehende Divergenz des Ionenstrahls. Ebenso wie im Falle der HF-Quellen ist für Anwendungen im Halbleiterbereich zur Reduzierung der Kontamination ein Quarzdom erforderlich. Dies erschwert auch hier den gleich­ mäßig verteilten Gaseinlaß und die Mikrowelleneinkopplung. Es werden daher bei manchen Herstellern Metallteile im Plasmaraum verwendet. Die ECR-Quellen werden für die her­ kömmliche Ionenimplantation (mit Massenseparation) und für Ätzanwendungen verwendet. Für die großflächige Ionenimplan­ tation sind sie aus den bisher ungelösten Kontaminationspro­ blemen und aufgrund der hohen magnetischen Felder nicht ein­ setzbar. Weiterhin nimmt mit zunehmender Größe die Homogeni­ tät des Plasmas ab, da die ECR-Bedingung meist nur am Rand des Plasmas erfüllt wird. Eine solche ECR-Ionenquelle ist beispielsweise aus der DE 37 08 716 A1 bekannt.

Eine weitere bekannte Ionenquelle ist die sogenannte Kauf­ mannionenquelle, die jedoch für viele Anwendungen aus Konta­ minationsgründen ausscheidet. Besonders problematisch bei der Verwendung von Kaufmannionenquellen ist die Korrosion und das Absputtern der Glühkathode.

Im Stand der Technik sind Ionenstrahlanlagen bekannt, die sogenannte Ionenoptiken verwenden. Bisherige Ionenoptiken für großflächige Ionenstrahlen sind jedoch auf die Extrak­ tion und die Beschleunigung von Ionen aus dem Plasma be­ grenzt. Es ist mit diesen bekannten Ionenoptiken nicht mög­ lich, einen großflächigen Ionenstrahl abzulenken, ohne die Homogenität des Ionenstrahls zu beeinträchtigen und ohne eine zusätzliche Kontaminationsquelle in den Ionenstrahl einzubringen. Da die bisherigen Gitter oder Ablenkeinrich­ tungen aus Metall oder Graphit bestehen, wird durch Ionen­ strahlzerstäubung Material abgetragen, welches die Halblei­ terproben kontaminiert. Ein weiteres Problem bei den bisher­ igen Gittern besteht darin, daß die Gitterstruktur auf der Prozeßscheibe abgebildet wird. Extraktionsgitter sind bei­ spielsweise in der DE 43 15 348 A1 und in der DE 36 01 632 A1 beschrieben.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen­ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Ionenquelle zu schaffen, die die Erzeugung eines kontaminationsfreien Ionenstrahls ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Ionenquelle gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Ionenquelle mit einer Anode; einer Kathode; und einem zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Plasmaraum; bei der die Kathode aus demselben Material, aus dem eine Probe besteht, zu der Ionen aus der Ionenquelle abgegeben werden, oder aus einem Material hergestellt ist, das für die Probe keine Konta­ mination darstellt.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dar­ in, eine Ionenstrahlanlage zu schaffen, die die Erzeugung eines großflächigen, homogenen und kontaminationsfreien Ionenstrahls mit niedriger Ionenenergie und hohem Ionenstrom ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Ionenstrahlanlage nach An­ spruch 7 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Ionenstrahlanlage mit einer Ionenquelle mit einer Anode; einer Kathode; und einem zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Plasmaraum; bei der die Kathode aus demselben Material, aus dem eine Probe besteht, zu der Ionen aus der Ionenquelle abgegeben werden, oder aus einem Material hergestellt ist, das für die Probe keine Kontamination darstellt; und einer Einrichtung zum Extrahieren und/oder Ablenken von aus der Ionenquelle zu der Probe abgegebenen Ionen, wobei die Teile der Einrich­ tung, die mit einem Ionenstrahl oder Plasma in Berührung kommen, aus demselben Material, aus dem die Probe besteht, oder aus einem Material hergestellt ist, das für die Probe keine Kontamination darstellt.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß mittels der neuartigen Ionenstrahlanlage ein kontaminations­ freier Ionenstrahl erzeugt, extrahiert, abgelenkt und be­ schleunigt werden kann, wobei die für die Erzeugung, Extra­ hierung, Ablenkung und Beschleunigung wesentlichen Elemente der Ionenquelle und der Ionenoptik gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel aus Silizium bestehen und deshalb für sehr saubere Prozesse in der Siliziumhalbleitertechnologie geeignet sind.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht dar­ in, daß mittels der erfindungsgemäßen Ionenstrahlanlage die oben beschriebenen Nachteile der bekannten Implantationsan­ lagen reduziert bzw. vollständig ausgeräumt werden und fer­ ner ein kostengünstiges, kompaktes und integrierbares System mit hohem Durchsatz und niedrigen Betriebskosten geschaffen wird, das speziell für die Implantation von hohen Dosen bei niedriger Energie, kleiner als 10 keV, geeignet ist.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß mittels der neuar­ tigen Ionenoptik, die beispielsweise aus Silizium besteht, der Ionenstrahl kontaminationsfrei extrahiert, beschleunigt und/oder abgelenkt werden kann, ohne daß sich eine Gitter­ struktur auf der Prozeßscheibe abbildet. Ferner kann die Form des Ionenstrahls dem Substrat bzw. der Prozeßscheibe angepaßt werden, wobei die Größe hierbei beliebig ist. Somit eignet sich die erfindungsgemäße Ionenquelle auch für die Prozessierung von quadratischen Substraten, wie z. B. für LCD-Anzeigen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ionenstrahlanlage besteht darin, daß es nun möglich ist, die Vorteile der Plasmadotierung mit den Vorteilen der herkömmlichen Ionenim­ plantation zu verbinden. Es wird ein modernes, leistungs­ fähiges Halbleiterfertigungsgerät geschaffen, das den Anfor­ derungen in der Ionenimplantationstechnik nach immer höherem Durchsatz bei niedriger Energie und hoher Dosis gerecht wird.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht dar­ in, daß ein sehr sauberes Plasma und somit ein kontamina­ tionsfreier Ionenstrahl erzeugt wird, da der Plasmaraum z. B. vollständig mit Quarzglas und Silizium abgeschirmt ist. Fer­ ner wird eine optimale Hochfrequenzeinkopplung sicherge­ stellt, da sich die Elektroden unmittelbar am Plasma befin­ den und den Plasmaraum abgrenzen.

Wiederum ein weiterer Vorteil besteht darin, daß ein sehr homogenes Plasma auch bei großen Flächen erzeugt werden kann, wobei im Gegensatz zu anderen Plasmaquellen die Homo­ genität mit steigender Fläche bei einem Parallelplatten-Re­ aktor zunimmt.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Form des Ionen­ strahls beliebig ist und somit der Form der zu bearbeitenden Probe angepaßt werden kann. Ferner wird eine kontaminations­ freie Auskopplung der Ionen aus dem Plasma durch Verwendung eines Siliziumgitters oder eines Siliziumschlitzgitters sichergestellt. Durch sogenanntes Wobbeln bzw. Ablenken des Ionenstrahls wird die Abbildung der Gitter auf den Prozeß­ scheiben verhindert.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines kostengünstigen, kompakten und inte­ grierbaren Systems, das geringe Anschaffungs-, Wartungs- und Betriebskosten hat.

Ferner hat die erfindungsgemäße Ionenstrahlanlage den Vor­ teil eines hohen Durchsatzes und niedriger Prozeßkosten, wo­ hingegen es bei herkömmlichen Implantationsanlagen bei der Herstellung von flachen pn-Übergängen aufgrund der niedrigen Ionenenergie zu einer drastischen Reduzierung des Ionenstro­ mes und somit zu einem niedrigen Durchsatz kommt. Der Vor­ teil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß mittels der neuen Ionenquelle es ermöglicht wird, sehr kurze Implan­ tationszeiten bei hohen Dosen zu erreichen.

Wiederum ein weiterer Vorteil der vorliegenden erfindungsge­ mäßen Ionenstrahlanlage besteht darin, daß ein Implanta­ tionsmodul geschaffen wird, das vollständig neue technologi­ sche Möglichkeiten bietet, wie z. B. die Durchführung mehrerer Prozeßschritte in einer Anlage, wenn das Implanta­ tionsmodul beispielsweise mit einem Tempermodul kombiniert wird.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ionenquelle be­ steht darin, daß diese für Anwendungen, die einen groß­ flächigen Ionenstrahl erfordern, der direkt (ohne Massen­ separation, Ablenk- und Fokusiereinheit) auf die Probe zu beschleunigen ist, besonders gut geeignet ist.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Nachfolgend werden anhand der beiliegenden Zeichnungen be­ vorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen HF-Ionenquelle;

Fig. 2 eine Mehrfach-Schlitzgitterstruktur;

Fig. 3 eine Mehrfach-Schlitzgitterkammstruktur;

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Ablenkung von Ionenstrahlen mittels einer Ionenoptik;

Fig. 5a und 5b ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der er­ findungsgemäßen Ionenstrahlanlage;

Fig. 6 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines integrier­ ten Dosismeßsystems in der erfindungsgemäßen Ionen­ strahlanlage; und

Fig. 7 eine HF-Plasmaquelle gemäß dem Stand der Technik.

Bevor nachfolgend bevorzugte Ausführungsbeispiele der vor­ liegenden Erfindung näher beschrieben werden, erfolgt zu­ nächst eine kurze Beschreibung einer herkömmlichen HF-Plas­ maquelle für Ätzanwendungen anhand der Fig. 7.

In Fig. 7 ist eine herkömmliche Plasmaquelle in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 700 bezeichnet. Die HF-Plasmaquelle umfaßt eine sogenannte Duschelektrode 702, die mit Masse verbunden ist. Die Gegenelektrode ist durch den Probenhalter 704 gebildet, auf dem eine zu bearbeitende Probe 706 angeordnet ist. Zwischen der Elektrode 704 und der Duschelektrode 702 ist der sogenannte Plasmaraum 708 defi­ niert. In dem Plasmaraum 708 wird durch Beschicken desselben mit einem Gas, wie es durch die Pfeile 710 angedeutet ist und durch Anlegen einer Hochfrequenzspannung an den Proben­ halter 704 ein Plasma 712 erzeugt.

Die in Fig. 7 dargestellte HF-Plasmaquelle stellt eine ein­ fache Art dar, ein sehr homogenes Plasma zu erzeugen. Dies wird durch Anlegen der Hochfrequenzspannung U_HF zwischen der Duschelektrode 702 und der Elektrode 704 erreicht. Dieses -Prinzip findet vielfach in Ätzmodulen Verwendung, wobei die zu ätzende Siliziumscheibe 706 bereits auf einer Metallplat­ tenelektrode 704 aufliegt. Da das Plasma 712 direkt über der Siliziumscheibe 706 ausgebildet ist und die beiden Platten­ elektroden 702 (Duschelektrode in Fig. 7) und 704 aus Metall bestehen, treten in einem solchen System Strahlenschäden und eine Metallkontamination an der Oberfläche der Silizium­ scheibe auf. Diese Art der Plasmaerzeugung kann daher nur für Ätzanwendungen oder plasmaunterstützte Schichtabschei­ dungen verwendet werden.

Anhand der Fig. 1 wird nachfolgend ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Ionenoptik im Zusammenwirken mit einer Ionenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung näher be­ schrieben. Es wird darauf hingewiesen, daß in der nachfol­ genden Beschreibung der vorliegenden Erfindung in den Zeich­ nungen für ähnliche Elemente die gleichen Bezugszeichen ver­ wendet werden.

In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Ionenquelle in ihrer Ge­ samtheit mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet. Es wird dar­ auf hingewiesen, daß in Fig. 1 neben der erfindungsgemäßen Ionenquelle 100 noch weitere Elemente einer Ionenstrahlan­ lage dargestellt sind, wie z. B. eine Ionenoptik 102, die zum Extrahieren und/oder Ablenken von aus der Ionenquelle 100 zu einer Probe 104 abgegebenen Ionen dient. Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt die erfindungsgemäße Ionenquelle 100 eine Anode 106, die mit Masse verbunden ist und eine Kathode 108, an die eine HF-Spannung U_HF anlegbar ist. Zwischen der Anode 106 und der Kathode 108 ist ein Plasmaraum 110 defini­ ert. Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Ionenquelle wird ein zu ionisierendes Gas in den Plasmaraum 110 eingeleitet, wie dies durch die Pfeile 112 in Fig. 1 dargestellt ist. Auf­ grund der Art der Einführung des Gases in den Plasmaraum 110 wird die Anode 106 auch als Duschelektrode bezeichnet. Eben­ falls ist es möglich, den Gaseinlaß von der Anode zu tren­ nen, z. B. durch einen ringförmigen Gaseinlaß zwischen der Anode und der Seitenwand 126. Zur Erzeugung eines Plasmas 114 innerhalb des Plasmaraums 110 wird an die Kathode 108, die beispielsweise als Gitterelektrode ausgebildet ist, eine Hochspannung U_HF angelegt.

Wie aus der obigen Beschreibung der erfindungsgemäßen Ionen­ quelle deutlich wird, weist diese einen sogenannten Paral­ lelplattenreaktor auf, der die nachfolgend näher beschrie­ benen entscheidenden Ergänzungen aufweist. Die Anode und Ka­ thode, d. h. die Elektroden 106, 108 bestehen gemäß der vor­ liegenden Erfindung nicht aus einem Metall, sondern aus dem­ selben Material, aus dem die Probe 104 besteht. Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die Elek­ troden 106, 108 aus einem Halbleitermaterial, wobei die un­ terste Elektrode 108 beispielsweise in der Form eines Git­ ters ausgebildet ist oder eine geeignet geformte Lochstruk­ tur aufweist oder aus einer Siliziumplatte mit mehreren Schlitzen besteht. Die Elektrode 108 kann gleichzeitig zu der Erzeugung des Plasmas auch die Extraktion der Ionen aus dem Plasmaraum 110 ermöglichen. Wie es aus Fig. 1 zu erken­ nen ist, brennt das Plasma 114 nicht direkt über der Probe 104, sondern ist von dieser beabstandet. Durch die Verwen­ dung der Gitterelektrode 108 (bzw. der Schlitzelektrode) wird aus dem Parallelplattenreaktor eine Ionenquelle.

Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, ist zwischen der Ionen­ quelle 100 und der Probe 104 die auf einem Probenhalter 116 angeordnet ist, die Ionenoptik 102 angeordnet. Die Ionenop­ tik 102 umfaßt ein Extraktionsgitter 118 und eine Ionenab­ lenkeinrichtung 120, die die von der Ionenquelle 100 erzeug­ ten Ionen, die zu der Probe 104 abgegeben werden, extrahie­ ren und ablenken, wie dies durch die Ionenstrahlen 122 in Fig. 1 angedeutet ist.

An die Extraktionselektrode 118 ist eine Extraktionsspan­ nung U_EX anlegbar. Es wird darauf hingewiesen, daß die Elek­ trode 118 beispielsweise als Gitter oder Schlitzelektrode ausgebildet sein kann. Mittels der Ablenkeinrichtung 120 er­ folgt eine Ablenkung der Ionenstrahlen 122. Die Funktions­ weise der Ionenoptik 102 wird später noch detaillierter be­ schrieben. Die Kombination der in Fig. 1 dargestellten zwei Hauptkomponenten, nämlich der Ionenquelle 100 und der erfin­ dungsgemäßen Ionenoptik 102 stellt ein Ausführungsbeispiel einer Ionenstrahlanlage 124 dar.

Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß abhängig von der vor­ gesehen Verwendung der Ionenquelle 100 auf die Ionenoptik 102 ganz oder teilweise verzichtet werden kann. Mit anderen Worten ist es beispielsweise nicht zwingend erforderlich, das in Fig. 1 dargestellte Extraktionsgitter 118 und die Ionenablenkeinrichtung 120, die beispielsweise auch in der Form eines Gitters vorliegt, vorzusehen, da einerseits die im Plasma 114 zwischen der oberen und der unteren Elektrode 106, 108 entstehende Spannung zur Ionenextraktion verwendet werden kann, und andererseits eine Spannung zwischen der Gitterelektrode 108 und dem Probenhalter 116 zur Extraktion anlegbar ist.

Ferner ist es möglich, auch nur einen Teil der Ionenoptik zusammen mit der Ionenquelle 100 vorzusehen, abhängig vom Anwendungsfall. So kann beispielsweise auf die Ionenablenk­ einrichtung 120 verzichtet werden und nur ein Extraktions­ gitter 118 vorgesehen sein. Andererseits kann, wenn die Extraktionsspannung auf die oben beschriebene Art erzeugt wird, auf das Extraktionsgitter 118 verzichtet werden, und nur die Ablenkeinrichtung 120 vorgesehen sein.

Neben den oben beschriebenen Strukturen der Kathode 108 kann diese auch eine Mehrfach-Schlitzstruktur haben.

Wie es in Fig. 1 weiter dargestellt ist, ist der Plasmaraum 110 in Bereichen, in denen er nicht durch die Anode 106 oder die Kathode 108 begrenzt ist, durch eine nicht-metallische Struktur 126 begrenzt, die beispielsweise eine Quarzstruktur ist.

Nachfolgend wird anhand der Fig. 2 bis 4 die oben angespro­ chene Ionenoptik 102 näher beschrieben. Wie es bereits im Vorhergehenden ausgeführt wurde, sind die bisher bekannten Ionenoptiken für großflächige Ionenstrahlen einfache Metall- oder Graphitgitter, mit denen nur eine Extraktion und Be­ schleunigung der Ionen möglich ist. Diese Gittersysteme ha­ ben zwei entscheidende Nachteile für die Anwendung bei der Ionenimplantation, erstens sind sie eine Kontaminations­ quelle, zweitens werfen sie einen Schatten, d. h. die Gitter werden durch den Ionenstrahl auf der zu implantierenden Pro­ be abgebildet.

Wie es bereits anhand der Fig. 1 kurz beschrieben wurde, um­ faßt die Ionenoptik 102 eine Einrichtung 118, 120, mittels der Ionen, die aus der Ionenquelle 100 zu der Probe 104 ab­ gegeben werden, extrahiert und/oder abgelenkt werden. Abhän­ gig von der erwünschten Anwendung kann hierbei entweder nur extrahiert oder nur abgelenkt oder extrahiert und abgelenkt werden.

In Fig. 2 und 3 sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der verwendeten Gitterstrukturen 200 bzw. 300 dargestellt. Die Ionenoptik 102 (Fig. 1) umfaßt eine Extraktionseinrichtung 118 und eine Ionenablenkeinrichtung 120. Die Extraktionsein­ richtung ist durch eine Mehrfach-Schlitzgitterstruktur 200 (Fig. 2) gebildet. Die Gitterstruktur 200 umfaßt einen soli­ den Umfangsabschnitt 202 sowie eine Mehrzahl von leitfähigen Stegen 204, die von dem Umfangsabschnitt 202 gehalten sind. Der Umfangsabschnitt 202 ist bevorzugterweise aus einem iso­ lierenden Material hergestellt, um somit die voneinander isolierte Anordnung mehrerer Strukturen 200 zu ermöglichen. Ferner ist die Gitterstruktur 200 mit einer Anschlußvorrich­ tung, die in Fig. 2 nicht dargestellt ist, versehen, um das Anlegen einer Spannung an die Stege 204 zu ermöglichen.

Die Ionenablenkeinrichtung der Ionenoptik 102 ist durch eine Mehrzahl von Mehrfach-Schlitzgitterstrukturen gebildet, die voneinander isoliert sind. Die Mehrfach-Schlitzgitterstruk­ tur für die Ionenablenkeinrichtung 120 kann beispielsweise durch eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Mehrfach- Schlitzgitterstrukturen gebildet sein, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Mehrfach- Schlitzgitterstruktur als Kammstruktur ausgebildet, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Die in Fig. 3 dargestellte Mehr­ fach-Schlitzgitterstruktur 300 umfaßt einen Umfangsabschnitt 302, der sich teilweise um den äußeren Umfang der Struktur 300 erstreckt. Ausgehend von dem Umfangsabschnitt 302 er­ strecken sich Stege 304, die voneinander beabstandet sind und mit dem Umfangsabschnitt verbunden sind. Die Stege kön­ nen durch eine geeignete Vorrichtung mit einer Spannungs­ quelle (nicht dargestellt) verbunden werden. Bei der Verwen­ dung einer Gitterstruktur, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, umfaßt die Ionenablenkeinrichtung 120 eine Mehrzahl von Mehrfach-Schlitzgitter-Kammstrukturen, wobei diese derart angeordnet sind, daß die Kammstrukturen (in der Form der Stege 304) ineinander geschoben sind.

Die wesentlichen Elemente der Ionenoptik, die zur Extraktion und/oder Ablenkung des Ionenstrahls 120 vorgesehen sind, be­ stehen gemäß der vorliegenden Erfindung aus demselben Mate­ rial, aus dem die Probe 104 besteht. Die Verwendung der Mehrfachschlitz-Ionenoptik, beispielsweise aus Silizium, wenn eine Siliziumprobe zu behandeln ist, hat den Vorteil, daß die Ionenoptik 120 für die Prozeßscheibe bzw. Probe 104 keine Kontaminationsquelle darstellt, da beide aus demselben Material bestehen. Das von Ionenstrahl zerstäubte Material ist beispielsweise Silizium. Durch Verwendung eines Mehr­ fach-Schlitzsystems können die Ionen extrahiert, beschleu­ nigt und/oder abgelenkt werden. Hierbei werden zwei überein­ ander gelegte und voneinander isolierte Mehrfach-Schlitz­ scheiben 200 oder zwei ineinander geschobene Kammstrukturen 300 verwendet, wodurch es ermöglicht wird, ein elektrisches Feld senkrecht zur Ionenstrahlrichtung zu erzeugen und da­ durch einen großflächigen Ionenstrahl abzulenken, ohne des­ sen Homogenität zu beeinträchtigen. Dies ist in Fig. 4 ver­ deutlicht, in der positive Ionenstrahlen 120 dargestellt sind, die eine ineinandergeschobene Kammstruktur 300 bzw. übereinander angeordnete flache Schlitzgitter 200 durch­ laufen. Durch Erzeugung des elektrischen Feldes senkrecht zur Ionenstrahlrichtung, wie es durch die Angaben der Po­ larität vereinfacht dargestellt ist, erfolgt eine Auslenkung der Ionenstrahlen, wie es durch die Pfeile 400 dargestellt ist. Die Ionenoptik stellt somit eine Art Breitstrahlwobbel­ einrichtung, im vorliegenden Fall beispielsweise eine Sili­ ziumbreitstrahl-Wobbeleinrichtung dar, mit der auf einfache Weise das Abbilden der Gitterstruktur 200 bzw. 300 (Extrak­ tionsgitter, Beschleunigungsgitter) auf die Siliziumprozeß­ scheibe 104 verhindert wird.

Ein Vorteil der oben beschriebenen Ionenoptik besteht darin, daß diese gegenüber thermischer Ausdehnung unempfindlich ist, und somit keine mechanischen Spannungen auftreten und eine Dejustierung vermieden wird.

Ein weiterer Vorteil ist die einfache Herstellung der Struk­ turen 200 bzw. 300, die nach deren Strukturierung mit Hilfe einer Diamantsäge zu entsprechenden Scheiben mit vorbestimm­ ter Dicke erzeugt werden.

Nachfolgend wird anhand der Fig. 5a und der Fig. 5b ein wei­ teres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ionenstrahlanlage 124 beschrieben, wobei in Fig. 5 Elemente, die bereits anhand der vorhergehenden Figuren beschrieben wurden, mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und eine erneute Beschreibung weggelassen ist.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Ionenstrahlanlage 124 bildet sich das Plasma 114 gemäß dem in Fig. 5 dargestellten Aus­ führungsbeispiel im Bereich zwischen einer Siliziumanode 106 und einer Siliziumschlitzkathode 108 aus, wobei der Plasma­ raum 110 nach außen durch Quarzringe 126 abgeschirmt ist. Das Plasma 114 kommt somit nur noch mit Silizium bzw. Quarz­ oberflächen in Berührung, was eine Metallkontamination ver­ hindert. Durch Anlegen einer negativen externen Gleichspan­ nung an das Siliziumextraktionsgitter 118 werden positive Plasmaionen extrahiert und auf die zu prozessierenden Schei­ ben 104 beschleunigt. Durch eine Siliziumionenoptik 120 wird der Strahl abgelenkt, und kann beispielsweise durch eine zu­ sätzliche, nicht dargestellte Lochblende fokusiert bzw. de­ fokusiert werden.

Die Siliziumanode 106, die auch als Duschanode bezeichnet wird, umfaßt eine Metallhalterung 502, eine Quarzringhalte­ rung 504, wobei durch die Anode 106, die Metallhalterung 502 und die Quarzringhalterung 504 ein geschlossener Gasvertei­ lungsraum 506 definiert ist.

An den Verbindungsstellen zwischen der Metallhalterung 502 und der Quarzringhalterung 504 sind entsprechende Dichtungs­ elemente 508 angeordnet, um den Gasverteilungsraum 506 dicht abzuschließen. Über einen Gaseinlaß 510 wird Gas von einer Gasversorgung 512 in den Gasverteilungsraum 506 eingebracht. Der Gasverteilungsraum 506 gewährleistet eine optimale Gas­ verteilung und stellt ferner eine physikalische Trennung der Metallhalterung zu der Siliziumanode 106 sicher, so daß eine vollständige Trennung des Plasmas 114 von Metallteilen ge­ währleistet ist. Wie es in Fig. 5 zu erkennen ist, ist die Anode 106 durch Wolframfedern 514 an der Metallhalterung 502 befestigt und gegen einen Vorsprung 516 der Quarzringhalte­ rung 504 vorgespannt.

Das Gas wird aus dem Gasverteilungsraum 506 in den Plasma­ raum 510 durch eine Mehrzahl von gleichmäßig verteilten Lö­ chern in der Siliziumscheibe 106 oder durch ringförmig am Rande zwischen dem Vorsprung 516 und der Siliziumscheibe 106 eingebracht. Die Metallhalterung 502 und die Siliziumanode 106 sind beide geerdet.

Die Metallhalterung 502 ist mit einem Wassereinlaß 518 und mit einem Wasserauslaß 520 verbunden, wodurch eine Wasser­ kühlung der Metallhalterung 502 bereitgestellt wird.

Die Siliziumkathodenanordnung ruht auf einem Glasring 522, der als Grundplatte und zur elektrischen Isolation dient. Ferner ist ein Siliziumring vorgesehen, der Aluminiumkon­ taktringe 526 und 527 von dem Plasmaraum 110 isoliert. Die Aluminiumkontaktringe 526 dienen dazu, die entsprechenden Spannungen an die Elektroden 108 und 118 anzulegen, wie dies in Fig. 5b zu erkennen ist. Um einen Kurzschluß zwischen den Elektroden 108 und 118 zu vermeiden, sind diese durch einen Teflonring 528 voneinander isoliert.

Wie es in Fig. 5 zu sehen ist, ist die Anodenstruktur mit der Kathodenstruktur über die Quarzglasringseitenteile 126 verbunden, wobei bei aufgesetzter Anodenstruktur die Quarz­ ringhalterung 504 zusammen mit einer Teflondichtung 530 und den Quarzglasringseitenteil 126 den Plasmaraum 110 nach außen vollständig abschirmen.

Die erforderliche Hochfrequenzspannung wird über den Alumi­ niumkontakt 526 an die Siliziumkathode 108 angelegt.

Der erzeugte Ionenstrahl 122 wird durch die bereits oben be­ schriebene Ionenoptik 120 abgelenkt bzw. gewobbelt, so daß sich keine Gitterstrukturen auf der Siliziumscheibe 104 ab­ bilden. Zusätzlich kann eine in Fig. 5 nicht dargestellte Lochapertur vorgesehen sein, die den Ionenstrahl geringfügig verbreitert bzw. fokusiert. Durch das Anlegen einer Spannung an ein weiteres, ebenfalls nicht dargestelltes Schlitzgit­ ter, bzw. an die Probenhalterung 116 wird der Ionenstrahl auf die gewünschte Energie gebracht, so daß die Beschleuni­ gungsspannung von der Extraktionsspannung entkoppelt ist und in weiten Bereichen frei gewählt werden kann. Die Probenhal­ terung 116 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit Silizium verkleidet, um Kontaminationen durch eine Zerstäubung zu vermeiden.

Die bisher beschriebene Anordnung ist in einem Vakuumgehäuse angeordnet, das wassergekühlte Seitenwände 532 sowie einen Vakuumdeckel 534 aufweist. Die Seitenwände sind mit Flan­ schen 536 versehen, die als Sichtfenster, Spannungs- und Meßdurchführung genutzt werden können.

Ein Boden 538 des Gehäuses umfaßt zwei Flansche 540, zwi­ schen denen eine Ausnehmung 542 gebildet ist, die den An­ schluß des Gehäuses an eine Vakuumpumpe ermöglichen. An einer Seitenwand 532 des Gehäuses ist ein Vakuumventil 544 vorgesehen, das die Beschickung der Ionenstrahlanlage mit einer zu prozessierenden Scheibe mittels einer Roboterein­ richtung 546 ermöglicht. Die Ionenquelle ist mittels des Glasrings 522 über entsprechende Befestigungselemente 548 an der Seitenwand 532 befestigt. Ebenso ist der Probenhalter 116 mittels einer isolierten Aufhängung 550 an dem Gehäuse­ seitenteil 532 befestigt.

In dem Probenhalter 116 ist eine Mehrzahl von Faraday-Be­ chern 552 integriert. Mittels dieser Becher 552 kann der Ionenstrom und die Homogenität des Ionenstrahls während des Prozesses gemessen werden. Durch eine Aufintegration des Ionenstroms über die Prozeßzeit ist die Bestimmung der Ionendosis möglich, welche eine wichtige Kenngröße beim Ionenimplantationsprozeß darstellt.

Nachfolgend wird anhand der Fig. 6 eine Dosismeßeinrichtung detaillierter beschrieben. Elemente, die bereits anhand der vorhergehenden Figuren beschrieben wurden, sind in Fig. 6 mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine detaillier­ te Beschreibung dieser Elemente wird weggelassen.

Die integrierte Dosismessung erfolgt durch eine Mehrzahl von Faraday-Bechern 552, die in der Prozeßscheibenhalterung 116 angeordnet sind, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Mittels dieser Faraday-Becher wird der Ionenstrom und die Homogeni­ tät des Ionenstrahls während des Prozesses bzw. zwischen den einzelnen Prozeßschritten gemessen. Durch eine Integration des Ionenstroms über die Prozeßzeit ist die Bestimmung der Ionendosis möglich, welche eine wichtige Kenngröße bei einem Ionenimplantationsprozeß darstellt.

Wie es in Fig. 6 dargestellt ist, sind die einzelnen Fara­ day-Becher 552 über Leitungen 602 mit einem Meßverstärker 604 verbunden, der innerhalb der Halterung 116 angeordnet ist. Über eine Datenleitung 606 und eine Energieleitung 608 ist der Meßverstärker mit einer Dosismeßeinrichtung 610 ver­ bunden. Die Dosismeßeinrichtung umfaßt eine Steuerung, eine Dosisanzeige, eine Energieversorgungseinheit und stellt eine Schnittstelle mit dem Meßstromverstärker und mit einem Steuerrechner 612 bereit. Der Steuerrechner 612 dient neben der Ansteuerung des Dosismeßgeräts auch zur Steuerung der in Fig. 5 dargestellten Ionenstrahlanlage.

Wie es in Fig. 6 zu sehen ist, erfolgt die Verbindung zwi­ schen Meßverstärker und Dosismeßgeräten mittels der Leitun­ gen 606 und 608, die durch eine isolierte Durchführung in der Aufhängung 550 geführt sind, mit der die Scheibenhal­ terung 116 an einer Seitenwand 632 befestigt ist. Das Innere der Scheibenhalterung 116 ist von dem im Inneren des Gehäu­ ses 532 herrschenden Vakuum isoliert.

Der in Fig. 6 dargestellte Stromintegrator besteht aus meh­ reren Faraday-Meßbechern 552 und einer oder mehrerer Ver­ stärkereinheiten 604 an jedem Faraday-Meßbecher, die auf einem Hochspannungspotential liegt und beide in der Halterung 116 integriert sind. Ein Dosismeßgerät und ein Rechner sind, wie bereits oben beschrieben wurde, vorgese­ hen.

Das Verstärkersignal wird über einen Lichtwellenleiter zum Dosismeßgerät weitergeleitet und in der Dosissteuerung wird das Signal über die Prozeßzeit integriert und in die Dosis umgerechnet. Nachdem eine voreingestellte Dosis erreicht ist, wird der Implantationsprozeß von der Steuerung über den Steuerrechner 612 abgeschaltet. Die Dosisisteuerung kann manuell oder über den Steuerrechner 612 eingestellt werden. Da mehrere Meßbecher symmetrisch am Rand der Implantations­ fläche angeordnet sind, erhält man über die Abweichung der einzelnen Meßwerte während des Prozesses ein Maß für die Homogenität. Bei einem Scheibenwechsel, d. h. wenn der Robo­ ter 546 (Fig. 5) die Scheibe 104 entfernt und eine neue Scheibe holt, ist anhand von einem oder mehreren weiteren Meßbechern, die während des Prozesses von der Siliziumschei­ be abgedeckt sind, eine genaue Homogenitätsbestimmung direkt am Ort der Scheibenablage möglich.

Die Verwendung des oben beschriebenen Dosismeßsystems be­ steht darin, daß die Messung der Dosis direkt an der Sili­ ziumscheibe erfolgt und die Messung der Strahlhomogenität ohne mechanisch bewegte Teile direkt am Ort der Scheibenab­ lage durchgeführt wird. Das beschriebene Dosismeßsystem weist eine hohe Störsicherheit auf, da das Meßsignal direkt nach dem Meßbecher 552 verstärkt wird und erst dann an eine Dosissteuerung weitergeleitet wird.

Ferner hat das System den Vorteil, daß der Faraday-Becher und der Verstärker von der Dosissteuerung galvanisch ge­ trennt sind und somit auf unterschiedlichem Potential liegen können. Dies ermöglicht eine Dosismessung auch dann, wenn der Faraday-Becher auf 20 kV liegt und die Steuerung auf Massepotential liegt.

Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung hauptsäch­ lich auf Proben aus Silizium Bezug genommen wurde, wird dar­ auf hingewiesen, daß anstelle des beschriebenen Siliziums auch Proben aus anderem Material, wie z. B. Galiumarsenit oder Germanium oder ähnlichem verwendet werden können, wobei in diesem Fall zur Vermeidung der Kontamination der zu bearbeitenden Prozeßscheibe die oben beschriebenen Elemente der Ionenquelle bzw. der Ionenstrahlanlage aus demselben Material hergestellt sind, aus dem die zu bearbeitende Probe besteht, oder aus einem die Material hergestellt sind, das für die Probe keine Kontamination darstellt, wie z. B. Si oder C bei einer Probe aus SiC.

Claims (15)

1. Ionenquelle mit
einer Anode (106);
einer Kathode (108); und
einem zwischen der Anode (106) und der Kathode (108) angeordneten Plasmaraum (110);
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kathode (108) aus demselben Material, aus dem eine Probe (104) besteht, zu der Ionen aus der Ionen­ quelle (100) abgegeben werden, oder aus einem Material hergestellt ist, das für die Probe (104) keine Konta­ mination darstellt.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (106) zumindest im Fall von reaktiven Gasen ebenfalls aus demselben Material, aus dem die Probe (104) besteht, oder aus einem Material herge­ stellt ist, das für die Probe (104) keine Kontamination darstellt.

3. Ionenquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kathode (108) eine Mehrfach-Schlitzstruktur hat.

4. Ionenquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kathode (108) eine Lochstruktur hat.

5. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmaraum (110) in Bereichen, in denen dieser nicht durch die Anode (106) und die Kathode (108) be­ grenzt ist, durch eine nicht-metallische Struktur (126), wie etwa eine Quarzstruktur, begrenzt ist, wo­ durch eine zusätzliche induktive Hochfrequenzeinkopp­ lung ermöglicht wird.

6. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekenn­ zeichnet durch einen Gaseinlaß (510), der wirksam mit einem Gasvertei­ lungsraum (506) verbunden ist, wobei der Gasvertei­ lungsraum (506) durch die Anode (106) von dem Plasma­ raum (110) getrennt ist.

7. Ionenstrahlanlage, mit
einer Ionenquelle (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6; und
einer Einrichtung (118, 120) zum Extrahieren und/oder Ablenken von aus der Ionenquelle (100) zu der Probe (104) abgegebenen Ionen, wobei die Teile der Einrich­ tung, die mit einem Ionenstrahl oder Plasma in Berüh­ rung kommen, aus demselben Material, aus dem die Probe (104) besteht, oder aus einem Material hergestellt ist, das für die Probe (104) keine Kontamination darstellt.

8. Ionenstrahlanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net,
daß die Einrichtung eine Extraktionseinrichtung (118) und eine Ionenablenkeinrichtung (120) umfaßt;
wobei die Extraktionseinrichtung (118) durch eine Mehr­ fach-Schlitzgitterstruktur (200; 300) gebildet ist; und
wobei die Ionenablenkeinrichtung (120) durch eine Mehr­ zahl von Mehrfach-Schlitzgitterstrukturen (200; 300) ge­ bildet ist, die voneinander isoliert sind.

9. Ionenstrahlanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ionenablenkeinrichtung (120) durch eine Mehr­ zahl von übereinander angeordneten Mehrfach-Schlitz­ gitterstrukturen (200) gebildet ist.

10. Ionenstrahlanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ionenablenkeinrichtung (120) eine Mehrzahl von Mehrfach-Schlitzgitterstrukturen (300) umfaßt, die eine Kammstruktur haben, wobei die Mehrfach-Schlitzgitter­ kammstrukturen ineinander geschoben sind.

11. Ionenstrahlanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch einen Probenhalter (116) zur Aufnahme der Probe (104).

12. Ionenstrahlanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 11, gekennzeichnet durch eine Dosismeßeinrichtung (552, 604, 610) zum Messen der Dosis des von der Ionenquelle (100) ausgegebenen Ionen­ strahls (122) und dessen Homogenität.

13. Ionenstrahlanlage nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dosismeßeinrichtung Faraday-Becher (552) um­ faßt.

14. Ionenstrahlanlage nach Anspruch 12 oder 13, jeweils in Rückbezug auf Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dosismeßeinrichtung in den Probenhalter (116) integriert ist, und
daß eine in situ Dosis- und Homogenitätsmessung möglich ist.

15. Ionenstrahlanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (104) aus Silizium besteht.