DE2335821A1

DE2335821A1 - PARTICLE ACCELERATOR

Info

Publication number: DE2335821A1
Application number: DE19732335821
Authority: DE
Inventors: Jun Robert William Allison
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1972-07-13
Filing date: 1973-07-13
Publication date: 1974-01-31
Also published as: FR2193300B1; GB1438851A; US3845312A; NL7309412A; JPS4957299A; FR2193300A1

Description

TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED
13500 North Central Expressway
Dallas, Texas.V.'St.A.TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED
13500 North Central Expressway
Dallas, Texas.V.'St.A.

Teilchenbe schleunigerParticle accelerator

Die Erfindung bezieht sich auf einen Teilchenbeschleuniger mit einem großen Strahlquerschnitt sowie auf ein Verfahren zum Dotieren von Halbleiterkörpern.The invention relates to a particle accelerator with a large beam cross-section and to a method for doping semiconductor bodies.

Bei Teilchenbeschleunigern war es bisher üblich, mit schmalen und fokussierten Teilchenstrahlen zu arbeiten, so daß sie beim Erreichen des Targets einen kleinen Querschnitt aufweisen, damit beim Aufprallpunkt eine hohe Teilchendichte erzielt wird. Wenn ein größerer'Bereich mit Teilchen überstrichen werden soll, wurden verschiedene Vorrichtungen wie elektrostatische oder elektromagnetische Ablenkorgane zum Bewegen des Strahls über den gewünschten Bereich entsprechend einem vorbestimmten Abtastmuster verwendet.In the case of particle accelerators, it was previously common to use narrow and focused particle beams work so that they have a small cross-section when reaching the target so that a high particle density is achieved at the point of impact. If a larger 'area To be painted over with particles, various devices such as electrostatic or electromagnetic deflectors for moving the beam over the desired area accordingly a predetermined scanning pattern is used.

Insbesondere auf dem Gebiet der Ionenimplantation von Halbleitervorrichtungen erfordert diese Technik ein Verfahren zum Lenken eines Ionenstrahls zu einem bestimmten Bereichs des Substrat^Targetmaterials, Die Ionenstrahlen sind in diesen Fällen so gesteuert oder programmiert, daß sie einen bestimmten Bereich des Substratmaterials wie eines Siliziumplättchens beispielsweise mit Phosphor-Particularly in the field of ion implantation of semiconductor devices, this technique requires one Method for directing an ion beam to a specific area of the substrate → target material, The ion beams are in these cases controlled or programmed to target a specific area of the substrate material like a silicon wafer, for example with phosphorus

Schw/BaSchw / Ba

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oder Bor-Ionen oder mit Ionen anderer Elemente überstreichen; Auf Grund der Tatsache, daß sowohl die Intensität als auch die Dichte der Ionenstrahlen bei bekannten Teilchenbeschleunigern begrenzt sind, kann auch nur eine begrenzte Zahl von Ionen während einer gegebenen Zeitdauer transportiert und implantiert werden, so daß die zur Herstellung eines großflächigen Halbleiterbauelements erforderliche Zeit viele Stunden betragen kann.or boron ions or with ions of other elements; Due to the fact that both the intensity and the density of the ion beams in known particle accelerators are limited, only a limited number of ions can be transported during a given period of time and implanted, so that the production of a large-area semiconductor device required time can be many hours.

Bei dem Ionenimplantationsvorgang 1st es wichtig, daß die Dichte der auf das Target aufprallenden Ionen auf der Targetfläche gleichmässig ist. Bei bisher verwendeten Vorrichtungen mußte bei der Programmierung der Ablenkspannungen dafür SorgB.getragen werden, daß während der Implantation eine konstante Spannung aufrecht erhalten wird, was zusätzliche Steuereinrichtungen für die Spannungen und Ströme der Ionenquelle und des Beschleunigungssystems erfordert.In the ion implantation process, it is important that the density of the ions impacting the target is determined the target surface is uniform. In previously used devices, when programming the deflection voltages care must be taken to maintain constant tension during implantation becomes what additional control devices for the voltages and currents of the ion source and the acceleration system requires.

Ferner ist es bei dem Ionenimplantationsvorgang wichtig, daß die Ionen so auf das Targetmaterial treffen, daß eine Kanalbildung (channeling ) auf ein Minimum verringert wird, d.h. daß ein tiefes Eindringen der Ionen vermieden wird, wenn der auftreffende Strahl senkrecht zu einer relativ offenen Hauptfläche in das Substratmaterial eintritt und tief in den Kristall eindringt. Damit dies mit bekannten Vorrichtungen erzielt werden kann, sind zusätzliche Ablenkeinheiten oder extrem lange Strahlwege erforderlich. It is also important in the ion implantation process that the ions strike the target material so that channeling is reduced to a minimum, i.e. deep penetration of the ions is avoided becomes when the incident beam is perpendicular to a relatively open major surface enters the substrate material and penetrates deep into the crystal. So that this with known devices can be achieved, additional deflection units or extremely long beam paths are required.

Der erfindungsgemäße Teilchenbeschleuniger erfüllt alle notwendigen Kriterien für die Ionenimplantation, und er führt zu einer Herabsetzung der zum Implantieren eines Halbleiterbauelements erforderlichen Zeit, indem eine Ionenquelle mit einem Ausgangsstrahl mit hoher Ionenintensität und eine Vorrichtung zum Vergrößern der Querschnittsflache des Ionenstrahls vorgesehen sind,The particle accelerator according to the invention meets all the necessary criteria for ion implantation, and it results in a reduction in the time required to implant a semiconductor device by a Ion source with an output beam with high ion intensity and a device for increasing the cross-sectional area of the ion beam is provided,

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die die Querschnittsdichte des Strahls so modifiziert,
daß eine gleichmäßige Teilchendichte über die Targetfläche erzielt wird, und daß vorzugsweise Teilchenbahnen
so verändert werden, daß sie allgemein parallel innerhalb von 4 Grad liegen und mit gerichteten Winkeln zur Minimalisierung der Kanalbildung (channeling ) auf das Target
treffen.which modifies the cross-sectional density of the beam in such a way that
that a uniform particle density is achieved over the target area, and that preferably particle trajectories
changed so that they are generally parallel within 4 degrees and at directed angles to minimize channeling onto the target
meet.

Mit Hilfe der Erfindung soll somit ein Teilchenbeschleuniger geschaffen werden, der einen Strahl mit einer großen Querschnittsfläche auf v/eist. Ferner soll bei dem mit Hilfe der Erfindung zu schaffenden Breitstrahl-Teilchenbeschleuniger eine über die Targetfläche gleichmässige Strahlteilchendichte erzielt werden. Ferner soll der mit Hilfe der Erfindung zu schaffende Breitstrahl-Teilchenbeechleuniger so ausgestaltet sein, daß alle Teilchen auf das Target treffen, so'daß eine Kanalbildung minimalisiert wird. Bei dem mit Hilfe
der Erfindung zu schaffenden Teilchenbeschleuniger soll
der Teilchenstrahl eine hohe Intensität aufweisen. Ferner' soll der Teilchenstrahl mit hoher Intensität einen gleichmassigen Querschnitt aufweisen.With the aid of the invention, a particle accelerator is thus to be created which has a beam with a large cross-sectional area. Furthermore, in the case of the wide-beam particle accelerator to be created with the aid of the invention, a beam particle density that is uniform over the target surface is to be achieved. Furthermore, the wide-beam particle accelerator to be created with the aid of the invention should be designed in such a way that all particles hit the target, so that channel formation is minimized. With the help
particle accelerator to be created according to the invention
the particle beam have a high intensity. Furthermore, the particle beam with high intensity should have a uniform cross section.

überdies betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Dotieren eines Halbleiterkörpers durch Lenken eines Strahls geladener Dotierungsteilchen auf dem Körper, wobei der Strahl eine
gleichmässige Teilchendichte aufweist und gleichzeitig auf die gesamte ausgewählte Fläche des Halbleiterkörpers auftrifft. Vorzugsweise verlaufen die Bahnen der auf die
Fläche des Halbleiterkörpers auftreffenden geladenen Teilchen parallel zueinander, und die geladenen Teilchen sind in dem Strahl annähernd gleichmässig über den Querschnitt verteilt.The invention also relates to a method for doping a semiconductor body by directing a beam of charged doping particles on the body, the beam being a
has uniform particle density and at the same time impinges on the entire selected surface of the semiconductor body. Preferably, the tracks run on the
Surface of the semiconductor body impinging charged particles parallel to one another, and the charged particles are distributed in the beam approximately evenly over the cross section.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der ZeichnungAn embodiment of the invention is shown in the drawing

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dargestellt. Darin zeigen:shown. Show in it:

Fig.1 eine schematische Ansicht der Vorrichtung zur Erzielung eines breiten Ionenstrahls,Fig.1 is a schematic view of the device for achieving a broad ion beam,

Fig.2 eine Schnittansicht der Ionenquelle, Fig.2A eine Schnittansicht des Ladeabschnitts der Ionenquelle,FIG. 2 is a sectional view of the ion source, FIG. 2A is a sectional view of the loading section of the ion source,

Fig.2B eine Ansicht der zur Beibehaltung der Abgabe der Ionenquelle verwendeten Scheibe,Figure 2B is a view of the disk used to maintain the delivery of the ion source.

Fig.3 eine Teilschnittansicht des Analysatormagnets, Fig.4 eine Vertikalschnittansicht der nichtlinearen Linse,3 shows a partial sectional view of the analyzer magnet, Fig. 4 is a vertical sectional view of the non-linear lens,

Fig.5 eine Horizontalschnittansicht der nichtlinearen Linse längs der Linie 5-5 von Fig.4,Fig. 5 is a horizontal sectional view of the nonlinear lens along the line 5-5 of Figure 4,

Fig.6 ein schematised Blockschaltbild einer Steueranordnung für die Ionenimplantationsvorrichtung ,6 shows a schematic block diagram of a control arrangement for the ion implantation device,

Fig.7 eine Vertikalschnittansicht einer elektrostatischen nichtlinearen Linse,Fig.7 is a vertical sectional view of an electrostatic non-linear lens,

Fig.8 eine Horizontalschnittansicht der nichtlinearen Linse von Fig.7 längs der Linie 8-8 ,Fig. 8 is a horizontal sectional view of the nonlinear lens of Figure 7 along the line 8-8,

Fig.9 eine Schnittansicht eines magnetischen Strahlverbreiterers undFig. 9 is a sectional view of a magnetic beam expander and

Fig.10 eine Ansicht einer anderen Ausführung der Targetfläche.10 is a view of another embodiment of the target surface.

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Fig.1 zeigt in einer vereinfachten Schnittansicht die wesentlichen Teileder hier zu beschreibenden Ionenimplantationsvorrichtung mit einem Target 10, auf dem die Bauteile befestigt sind,in die Ionen eines bestimmten Elements implantiert werden sollen, beispielsweise Plättchen aus Silizium (oder einem anderen Halbleitermaterial) , in die Phosphorionen implantiert werden sollen, zur Erzeugung von Ionen aus dem zu implantierenden Material, einem ' Ionenextraktor 12 zur Entnahme der Ionen aus der Ionenquelle 11 in Form eines Ionenstrahls 14 und zur Erzielung einer Anfangsgeschwindigkeit der Ionen, einer Analysatormagnetvorrichtung 16 zum Entfernen unerwünschter Ionen aus dem Ionenstrahl 14, einem Beschleunigungsabschnitt 21 zur Erzielung der Endbeschleunigung der Ionen und zur Steuerung der Strahldivergenz, eine nichtlineare Linse 18 , die dazu verwendet wird, die Dichte des Ionenstrahls über den Strahlquerschnitt gleichmässig über die Targetfläche einzustellen, und einem Strahlrotationsmagnet 19 zur Veränderung der Ionenbahnen im Strahl 14, so daß sie in einem Winkel auf das Target 10 fallen, der innerhalb von vier Grad parallel beim Auftreffen auf die Ebene der Targetfläche liegt.Fig. 1 shows in a simplified sectional view the essential parts of the ion implantation device to be described here with a target 10, on which the components are attached, into the ions of a certain element are to be implanted, for example, platelets made of silicon (or another semiconductor material), in the Phosphorus ions are to be implanted to generate ions from the material to be implanted, a ' Ion extractor 12 for removing the ions from the ion source 11 in the form of an ion beam 14 and to achieve an initial velocity of the ions, an analyzer magnet device 16 for removing unwanted ions from the ion beam 14, an acceleration section 21 for To achieve the final acceleration of the ions and to control the beam divergence, a non-linear lens 18, which does this is used to adjust the density of the ion beam over the beam cross-section evenly over the target surface, and a beam rotation magnet 19 for changing the ion trajectories in the beam 14 so that they are at an angle the target 10, which is within four degrees of parallel when hitting the plane of the target surface, will fall.

Das Target 10 ist so angeordnet, daß es gekippt werden kann, so daß, wenn es erwünscht ist, der gerichtete Strahlwinkel bezüglich der Normalen des Substrats 7 Grad + 2 Grad beträgt, oder er kann irgendein anderer geeigneter Winkel sein, der sich zum Implantieren und zur Vermeidung der Kanalbildung (channeling )als günstigster Winkel erweist.The target 10 is arranged so that it can be tilted so that, if desired, the directional one Beam angle with respect to the normal of the substrate is 7 degrees + 2 degrees, or it can be any other be a suitable angle that is most favorable for implantation and to avoid channeling Angle proves.

Das Target 10 ist auch mit einer Strahlüberwachungsplatte unmittelbar unterhalb der Ebene der Targetfläche versehen, so daß die Strahldichte und die Strahlgleichmässigkeit der Querschnittsionendichte jederzeit für eine Qualitätskonstrolle überwacht werden können.The target 10 is also provided with a beam monitoring plate immediately below the plane of the target surface, so that the beam density and the beam uniformity of the cross-sectional ion density at all times for a quality control can be monitored.

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Die Ionenquelle 11 ist in der Schnittansicht von Fig.2 im einzelnen genauer dargestellt. Sie enthält grundsätz lich einen Ofena ti schnitt 22_fin dem das zu implantierende Material anfänglich so erhitzt wird, daß es verdampft, sowie einen Abgabeabschnitt 23» in dem das verdampfte Material als Ionenplasma 24 (Fig.2A) enthalten ist. Ein Ionenquellenmagnet 25 wird dazu verwendet, das Ionenplasma im Abgabeabschnitt 23 zu halten.The ion source 11 is shown in more detail in the sectional view of FIG. It basically contains a furnace section _22f in which the material to be implanted is initially heated so that it evaporates, and a discharge section 23 'in which the evaporated material is contained as ion plasma 24 (FIG. 2A). An ion source magnet 25 is used to hold the ion plasma in the discharge section 23.

Der Ofenabschnitt 22 enthält eine Kammer 28 mit einer zum Abgabeabschnitt 23 gerichteten Öffnung 29, in die die Kammer 28 das zu implantierende Material überführt; in dieser Kammer ist auch das Ionenquellenheizelement enthalten, das in der dargestellten Ausführungsform ein elektrisches Widerstandsheizelement ist. An Gehäuse der Ionenimplantationsvorrichtung ist eine Halterung für die Ionenquellenkammer mit Hilfe von Bolzen oder dergleichen elektrisch vom Abgabeabschnitt 23 isoliert befestigt.The furnace section 22 contains a chamber 28 with an opening 29 directed towards the dispensing section 23 into which chamber 28 transfers the material to be implanted; The ion source heating element is also in this chamber included in the illustrated embodiment is an electrical resistance heating element. A bracket is attached to the housing of the ion implantation device for the ion source chamber is electrically isolated from the discharge section 23 by means of bolts or the like attached.

Der Abgabeabschnitt 23 enthält grundsätzlich eine zylindrisch geformte Ionenquellenanordnung 43, die von einem Anodenheizelement 44 umgeben ist, das in der dargestellten Ausführungsform aus einem elektrischen Widerstandsheizelement besteht,das dazu verwendet wird, eine. Kondensation des Metalldampfs in der Ionenquelle zu verhindern.The delivery section 23 basically includes a cylindrically shaped ion source assembly 43 which is surrounded by an anode heating element 44, which in the illustrated embodiment consists of an electrical There is a resistance heating element that is used to provide a. Condensation of the metal vapor in the ion source to prevent.

Wie in Fig.2A im einzelnen genauer dargestellt ist enthält die Ionenquellenanordnung 43 eine allgemein zylindrisch geformte Ionenanode 36, deren Längsachse mit der Längsachse des Ionenofenabschnitts 22 (Fig.2) zusammenfällt; sie wird vonHalteringen 38 und 39 an ihrer Stelle gehalten, die mit Hilfe von Isolatorringen 41 und 42 elektrisch von ihr isoliert sind.As shown in more detail in FIG. 2A, the ion source assembly 43 generally includes a cylindrically shaped ion anode 36, the longitudinal axis of which coincides with the longitudinal axis of the ion furnace section 22 (FIG. 2) collapses; it is held in place by retaining rings 38 and 39 with the aid of isolator rings 41 and 42 are electrically isolated from it.

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Am Haltering 38 ist eine Hinterplatte 33 befestigt, die eine mit der Achse 37 in einer Linie liegende Öffnung 40 aufweist. Am Haltering 39 ist eine Vorderplatte 35 befestigt, die eine mit der Achse 37 in einerLinie liegende Öffnung 42 aufweist.A rear plate 33 is fastened to the retaining ring 38 and has an opening 40 lying in a line with the axis 37 having. Attached to the retaining ring 39 is a front plate 35 which is one in line with the axis 37 Has opening 42.

Die gesamte. Ionenquellenanordnung 43 wird dadurch zusammengebaut, daß die Hinterplatte, die Halteringe, die Anode und die Vorderplatte zusammen mit dazwischengeschichteten Lagen aus einem Hartlötmaterial übereinandergestapelt werden und daß die Gesamtanordnung dann zur Erzielung einer fest verlöteten Anordnung auf die Hartlöttemperatur erhitzt wird.The whole. Ion source assembly 43 is assembled by that the back plate, the retaining rings, the anode and the front plate are sandwiched together with them Layers of a brazing material are stacked on top of one another and that the overall arrangement is then used to achieve a firmly soldered arrangement is heated to the brazing temperature.

In Fig.2B sind zwei Katodenscheiben 46a und 46b im'einzelnen genauer dargesteXt, die mit mehreren in den Außenrand geschnittenen Öffnungen 55 versehen sind, die es ermöglichen, daß das verdampfte Material aus dem Ofenabschnitt 22 den Abgabeabschnitt 23 erreicht, damit es den Abgabeabschnitt 23 durch die Frontöffnung 52 verläßt und dann beschleunigt und zu dem Ionenstrahl 14 geformt wird.Two cathode disks 46a and 46b are shown in detail in FIG. 2B more precisely represented, those with several cut into the outer edge Openings 55 are provided which allow the vaporized material to escape from the furnace section 22 reaches the dispensing section 23 to leave the dispensing section 23 through the front opening 52 and then is accelerated and shaped into the ion beam 14.

Es ist auch ein elektrischer Anschluß 45 für die Ionenanode 36 vorgesehen, so daß diese bezüglich des Rests der Vorrichtung auf ein elektrisches Potential angehoben werden kann.There is also an electrical connector 45 for the ion anode 36 so that this with respect to the rest the device can be raised to an electrical potential.

Der Ionenquellenmagnet 25 besteht aus einem Elektromagnet, der in Fig.2 im Teilschnitt dargestellt ist; seine Drehachse und seine Polarachse fallen mit der Längsachse derAnode 36 zusammen, und seine Breite ist fast gleich der Breite des Abgabeabschnitts 23.The ion source magnet 25 consists of an electromagnet, which is shown in Figure 2 in partial section; its axis of rotation and its polar axis coincide with the longitudinal axis of the anode 36 together, and its width is almost equal to the width of the discharge portion 23.

Der Ionenextraktor 12 enthält die Extraktoröffnung 47, deren Achse mit der Achse der Anode 36 zusammenfällt. Ferner enthält der Ionenextraktor 12 eine Extraktorelektrode 48The ion extractor 12 contains the extractor opening 47, whose axis coincides with the axis of the anode 36. Further the ion extractor 12 includes an extractor electrode 48

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die einen Napf mit einer Eintrittsöffnung 49, einem Napfkörper 50 und eine Austrittslippe 51 bildet ,which forms a bowl with an inlet opening 49, a bowl body 50 and an outlet lip 51,

Der Ionenextraktor 12 ist von der Ionenquelle 11 elektrisch isoliert, so daß er auf jedes gewünschte elektrische Potential angehoben werden kann, damit Ionen aus der Ionenquelle 11 entnommen, auf eine bestimmte Anfangsgeschwindigkeit beschleunigt und zum Ionenstrahl 14 geformt werden können.The ion extractor 12 is electrically isolated from the ion source 11 so that it can be used in any desired electrical manner Potential can be increased so that ions are removed from the ion source 11, accelerated to a certain initial speed and to the ion beam 14 can be shaped.

Die Analysatormagnetvorrichtung 16, zu der der Ionenstrahl 14 zunächst beschleunigt wird, enthält nach Fig.3 einen kräftigen Magnet , dessen Kraftlinien senkrecht zur Achse des Strahls 14, also in der Zeichnung senkrecht zur Zeichenebene von Fig.3 verlaufen, so daß die Ionen im Strahl 14 in einem Bogen abgelenkt werden, dessen Radius von der Geschwindigkeit der Ionen und von ihrer ^Masse abhängt. Ferner sind die Magnetränder bezüglich des Strahls geneigt, damit eine vertikale Fokussierung erzielt wird. Tatsächlich wirkt die Analysatormagnetvorrichtung 16 als Massespektrometer, das diejenigen Ionen entfernt, deren Masse größer oder kleiner als die Masse des gewünschten Implantationsmaterials ist, damit ein Strahl von Ionen innerhalb eines engen Massenbereichs erhalten wird ; ferner bewirkt die Analysatormagnetvorrichtung eine Fokussierung des sich ergebenden reinen lonenstrahls direkt am Austrittsrand des Magnets oder dicht bei diesem Rand.The analyzer magnet device 16, to which the ion beam 14 is first accelerated, contains a powerful magnet according to FIG are deflected in an arc 14 whose radius depends on the velocity of the ions and of their ^M ass. Furthermore, the magnetic edges are inclined with respect to the beam in order to achieve vertical focusing. In effect, the analyzer magnet device 16 acts as a mass spectrometer, removing those ions whose mass is greater or less than the mass of the desired implant material in order to obtain a beam of ions within a narrow mass range; Furthermore, the analyzer magnet device brings about a focusing of the resulting pure ion beam directly at the exit edge of the magnet or close to this edge.

Die Analysatormagnetvorrichtung 16 enthält auch eine Austrittsöffnung 54; v/ie unten noch erläutert wird, kann die Form des Magnetfelds an der Austrittsöffnung auch so gesteuert werden, daß eine Strahlverbreiterung erzielt wird, was bedeutet, daß diese Öffnung als eine Einrichtung zur Erzielung eines divergierenden lonenstrahls wirkt.The analyzer magnet assembly 16 also includes an exit port 54; v / which is explained below, the shape of the magnetic field at the outlet opening can also be controlled so that a beam broadening is achieved, which means that this opening is used as a means for obtaining a diverging ion beam works.

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Unter bestimmten Umständen, bei denen die Anfangsgeschwindigkeit der aus dem Extraktor 12 erhaltenen Ionen unzureichend ist, ist dicht bei der Austrittsöffnung 54 der Analysatormagnetvorrichtung 16 (Fig.1) vor dem Eintritt des Strahls 14 in die nichtlineare Linse 18 ein Beschleunigungsabschnitt 21 vorgesehen. Der Säulengradient ist so eingestellt, daß sich der Strahl zunächst innerhalb der Säule in einem Laufraum verbreitert.In certain circumstances where the initial speed is that obtained from the extractor 12 Ions is insufficient, is close to the exit opening 54 of the analyzer magnet device 16 (Fig. 1) An acceleration section 21 is provided before the beam 14 enters the nonlinear lens 18. The column gradient is set so that the jet is initially within the column in a space widened.

Wie in Fig.1 dargestellt ist, enthält der Beschleunigungsabschnitt 21 eine obere Beschleunigungselektrode 27 und eine untere Beschleunigungselektrode 30 zur Einstellung der Strahlenergie. Das Gradientenfeld des Beschleunigungsabschnitts verursacht eine Verbreiterung des Strahls 14. Die Polarachse des elektrisches Feldes fällt mit der Achse des Strahls 14 zusammen.As shown in Fig. 1, the accelerating section 21 includes an upper accelerating electrode 27 and a lower acceleration electrode 30 for adjusting the beam energy. The gradient field of the acceleration section causes the beam 14 to widen. The polar axis of the electric field coincides with the axis of the beam 14.

Die Verbreiterung des Strahls ist in Fig,1 durch Angabe von fünf typischen Teilchenbahnen 67, 68, 69, 67« und 68* und durch Aufzeichnen des Verlaufs dieser Bahnen durch das System nach dem Verlassen der Austrittsöffnung 54 dargestellt. The broadening of the beam is indicated in FIG of five typical particle trajectories 67, 68, 69, 67 «and 68 * and represented by recording the progression of these trajectories through the system after exiting exit port 54.

Die Figuren 4 und 5 zeigen einen Vertikalschnitt (Fig.4) der nichtlinearen Linse 18 und einen Horizontalschnitt (Fig.5) durch die Linse 18 längs der Linie 5-5 .FIGS. 4 and 5 show a vertical section (FIG. 4) of the nonlinear lens 18 and a horizontal section (FIG. 5) through the lens 18 along the line 5-5.

Die nichtlineare Linse enthält ein allgemein zylindri- ' sches Polträgergehäuse 58, dessen Drehachse mit der Achse des Strahls 14 zusammenfällt, mehrere in gleichem Abstand voneinander liegende Pole oder Spulenträger 59, die an der Innenseite des Gehäuses 58 befestigt sind, sowie eine gleiche Anzahl von Spulen 60 auf den Polen, deren Polarachsen senkrecht zur Achse des Strahls 14 verlaufen, so daß.ein Magnetfeld mit Kraftlinien 62 entsteht, die in Fig.5 mit gestrichelten Linien dargestellt sind.The nonlinear lens contains a generally cylindri- ' cal pole carrier housing 58, the axis of rotation of which coincides with the axis of the beam 14, several equally spaced mutually lying poles or coil carriers 59, which are attached to the inside of the housing 58, as well as the same Number of coils 60 on the poles, the polar axes of which are perpendicular to the axis of the beam 14, so that a magnetic field with lines of force 62 arises, which are shown in Figure 5 with dashed lines.

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Eine Ausführungsform einer elektrostatischen nichtlinearen Linse 18' , die ebenfalls verwendet werden kann, ist in den Figuren 7 und 8 dargestellt. Sie enthält ein allgemein zylindrisches Polträgergehäuse 88, dessen Drehachse mit der Achse des Strahls 14 zusammenfällt, sowie mehrere gleichweit voneinander liegenden Pole oder Platten 89, die an der Innenseite des Gehäuses 88 mit Hilfe von Stangen 90 befestigt sind, die vom Gehäuse 68 über Isolatoren 91 elektrisch isoliert sind. Die Stangen wirken auch als Leiter zum Anschliessen der Pole 89 an eine (nicht dargestellte) Energieversorgung,An embodiment of an electrostatic nonlinear Lens 18 ', which can also be used, is shown in FIGS. It contains a generally cylindrical pole support housing 88, the axis of rotation of which coincides with the axis of the beam 14, as well as several equally spaced poles or plates 89 on the inside of the housing 88 with With the aid of rods 90 which are electrically isolated from the housing 68 via insulators 91. The poles also act as a conductor for connecting the poles 89 a (not shown) power supply,

Die Polarität der auf die Pole 89 aufgebrachten elektrischen Ladung ist so gerichtet, daß sie bei jeweils benachbarten Polen einander entgegengesetzt ist, damit elektrostatische Kraftlinien geschaffen werden, die senkrecht zur Achse des Strahls 14 verlaufen, wie in Fig.8 mit gestrichelten Linien dargestellt ist.The polarity of the electric charge applied to the poles 89 is directed so that they are in each case adjacent Poles are opposite to each other, hence electrostatic Lines of force are created which are perpendicular to the axis of the beam 14, as shown in Figure 8 with dashed lines is shown.

Da die Ionen nach dem Durchlaufen der nichtlinearen Linse 18 immer noch divergieren, müssen ihre Bahnen so verändert werden, daß sie auf das Target 10 mit einer Winkelspreizung auf treffen, die eine Kanalbildung verhindert .Wenn es notwendig ist, wie beispielsweise im Falle der Implantation mit Bor -Silizium, wird das Target bezüglich des Strahls um etwa 7° gekippt.Since the ions still diverge after passing through the nonlinear lens 18, their orbits must be changed in this way be that they hit the target 10 with an angular spread that prevents channeling. If necessary is, for example in the case of implantation with boron -silicon, the target becomes with respect to the beam tilted by about 7 °.

Die Ausrichtung des Plättchen-oder Targetmaterials bezüglich der Teilchenbahn zur Verhinderung der Kanalbildung kann entweder durch Verwendung einer gekrümmten Targethalteplatte 94 , die die Plättchen dem divergierenden Teilchenstrahl aussetzt, wie in Fig.10 dargestellt ist, oder durch Verwendung einer ebenen Targetplatte 10 und eines Strahldrehmagneten 19 nach Fig.1 erzielt v/erden, der die Bahn derStrahlteilchen so verändert, daß die TeilchenThe orientation of the platelet or target material with respect to the particle path to prevent channeling can either be achieved by using a curved target holding plate 94, which exposes the platelets to the diverging particle beam, as shown in FIG. 10, or by using a flat target plate 10 and a rotating beam magnet 19 according to FIG The path of the beam particles changed so that the particles

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innerhalb des gewünschten Winkelbereichs auf das Targetmaterial treffen. hit the target material within the desired angular range.

Der Strahldrehmagnet 19 ist vorgesehen, damit eine Einstellung des Strahlausrichtwinkels derart erzielt werden kann, daß alle auf das Halbleiterplättchen treffenden Teilchenbahnen nahezu parallel zueinander verlaufen. Der Magnet 19 enthält eine Magnetspule 64 (Fig.1) und einen Eisenring 65₉ dessen Rotations- und Polarachse mit der Achse des Strahls 14 zusammenfallen. Der Magnet 19 wirkt wie eine dünne Linse auf den Strahl.Ferner bewirkt der Magnet 19 eine Fekussierungssteuerung des Strahls bei niedrigen Energien.The rotating beam magnet 19 is provided so that an adjustment of the beam alignment angle can be achieved in such a way that all the particle paths striking the semiconductor wafer run almost parallel to one another. The magnet 19 contains a magnetic coil 64 (FIG. 1) and an iron ring 65 _9, the axis of rotation and polar axis of which coincide with the axis of the beam 14. The magnet 19 acts like a thin lens on the beam. Furthermore, the magnet 19 effects focus control of the beam at low energies.

Typische Ionenbahnen sind inFig.1- mit gestrichelten Linien 67; 68_f 69 , 67· und 68· angegeben.Typical ion trajectories are shown in FIG. 1 with dashed lines 67; 68 _f 69, 67 and 68 indicated.

In bestimmten Anwendungsfällen kann anstelle der Verwendung des elektrostatischen Beschleunigungsabschnitts 21 zur Erzielung der Divergenz des Strahls ein anderes Verfahren angewendet werden* ^Qim es erwünscht ist. In diesen Fällen kann zur Erzielung der Strahldivergenz die in Fig.9 dargestellte Magnetvorrichtung verwendet werden.In certain applications, a different method can be applied * ^ Qim it is desirable, instead of using the electrostatic acceleration portion 21 to achieve the divergence of the beam. In these cases, the magnetic device shown in FIG. 9 can be used to achieve the beam divergence.

In Fig.9 wird ereile des Beschleunigungsabschnitts 21 eine magnetische Strahlverbreiterungsvorrichtung 17 verwendet, die einen Magnet 96 und eine Eiseneinlage 97 enthält, deren Dreh- und Polarächsen mit der Achse des Strahls 14 zusammenfallen.In FIG. 9, the acceleration section 21 occurs a magnetic beam spreading device 17 comprising a magnet 96 and an iron insert 97 is used contains, the rotation and polar axes of which coincide with the axis of the beam 14.

In Fig.6 ist ein Blockschaltbild einer Steueranordnung für die hier beschriebene Ioneniitplantationsvorrichtung' dargestellt.In Fig.6 is a block diagram of a control arrangement for the ion implantation device described here ' shown.

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Die Steueranordnung enthält zusätzlich zu den Grundbestandteilen, nämlich dem Target 10, der Ionenquelle 11, des Ionenextraktors 12, des Analysatormagnets 16, des Beschleunigungsabschnitts 21, der nichtlinearen Linse 18, der Strahldrehvorrichtung 19 und der Strahlüberwachungsvorrichtung 20, weitere Bestandteile, die die oben erwähnten Bauteile mit Energie versorgen und steuern, nämlich insbesondere eine Energieversorgungs- und Steueranordnung für die Ionenquelle, die die Ofenheizelemente 32 und die Anodenheizelemente 44 mit Energie versorgt und das elektrische Potential für die Anode 36 und die Energie für den Magnet 25 liefert. Die Steueranordnung enthält auch eine Energieversorgungs- und Steuereinheit 73 für den Ionenextraktor, eine Energieversorungs-und Steuereinheit 74 für den Analysatormagnet, eine Energieversorgungs- und Steuereinheit 75 für den Beschleunigungsabschnitt, eine Energieversorgungs- und Steuereinheit für die nichtlineare Linse, eine Energieversorgungsund Steuereinheit 78 für den Drehmagnet , einen Überwachungsplattenverstärker 79 und eine Energieversorgungsund Steuereinheit 80 für die Ionenvakuumpumpe; alle diese Teile sind mit einem Implantationshauptsteuerpult 81 verbunden.In addition to the basic components, namely the target 10, the ion source 11, the control arrangement contains of ion extractor 12, analyzer magnet 16, des Accelerating section 21, the nonlinear lens 18, the beam rotating device 19 and the beam monitoring device 20, further components that supply and control the above-mentioned components with energy, namely in particular a power supply and control arrangement for the ion source, the furnace heating elements 32 and the Anode heating elements 44 supplied with energy and the electrical potential for the anode 36 and the energy for the magnet 25 supplies. The control arrangement also contains a power supply and control unit 73 for the ion extractor, an energy supply and control unit 74 for the analyzer magnet, an energy supply and control unit 75 for the acceleration section, a power supply and control unit for the non-linear lens, a power supply and control unit 78 for the rotary magnet, a monitoring plate amplifier 79 and a power supply and control unit 80 for the ion vacuum pump; all these Parts are connected to a main implantation control desk 81.

Ferner ist eine primäre Hochspannungsversorgungseinheit zwischen das Hauptsteuerpult 81 und die Energieversorgungsund Steuereinheit 73 des Ionenextraktors sowie die Energieversorgungs- und Steuereinheit 72 der Ionenquelle eingefügt, während eine primäre Hochspannungsversorgungseinheit 83 zwischen die Energieversorgungs- und Steuereinheit 74 des Analysatormagnets und das Hauptsteuerpult 81 eingefügt ist.There is also a primary high voltage supply unit between the main control desk 81 and the power supply Control unit 73 of the ion extractor and the energy supply and control unit 72 of the ion source inserted, while a primary high voltage supply unit 83 between the power supply and control unit 74 of the analyzer magnet and the main control panel 81 is inserted.

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Arbeitsweise:Working method:

Zum Betrieb der hier beschriebenen Ionenimplantationsvorrichtung werden die Teile, die das zu implantierende Material empfangen sollen, beispielsweise Siliziumplättchen, auf dem Target 10 angebracht, wobei über die Plättchen geeignete Masken gelegt werden, damit die Flächenbereiche, in denen eine Implantation nicht erwünscht ist, abgedeckt werden.For operating the ion implantation device described here the parts that are to receive the material to be implanted, for example silicon wafers, on attached to the target 10, with suitable masks are placed over the platelets so that the surface areas in which implantation is not desired, must be covered.

Die Implantationsvorrichtung wird dann durch Einschalten einer mechanischen Vakuumpumpe 85 und einerDiffusions- oder Ionenvakuumpumpe 86 evakuiert.The implantation device is then activated by energizing a mechanical vacuum pump 85 and a diffusion or ion vacuum pump 86 evacuated.

Nach der Evakuierung der Implantationsvorrichtung wird das 'Ionenimplantationsmaterial, beispielsweise Phosphor im Ofenabschnitt 22 der Ionenquelle erhitzt, und der disoziierte Dampf dringt in die Ionenquellenanqrdnung 43 des Abgabeabschnitts 23 ein, wo er zur Bildung eines geladenen Plasmas 24 innerhalb der Anode 36 ionisiert wird, die auf ein elektrisches Potential in der Grossen Ordnung von 3 kV mit Hilfe des Energieversorgungsteils der Energieversorgungs- und Steuereinheit 72 der Ionenquelle angehoben ist.After evacuation the implantation device will the 'ion implantation material, for example phosphorus, is heated in the furnace section 22 of the ion source, and the dissociated vapor penetrates the ion source arrangement 43 of the dispensing section 23, where it ionizes to form a charged plasma 24 within the anode 36 which is based on an electrical potential in the great order of 3 kV with the aid of the energy supply part of the energy supply and control unit 72 of the ion source is raised.

Die Intensität des vomlonenquellenmagnets 25 erzeugten Magnetfelds wird durch den Steuerteil der Einheit 72 vom Hauptsteuerpult 81 aus so eingestellt, daß das Plasma durch die Anode 36 gehalten wird.The intensity of the ion source magnet 25 generated Magnetic field is adjusted by the control part of the unit 72 from the main control desk 81 so that the Plasma is held by the anode 36.

Das geladene Plasma in der Anode 36 wird dann herausgezogen, indem das elektrische Potential an der Extraktorelektrode 48 zur Erzielung einer beschleunigenden Spannungsdifferenz V(O) zwischen der Ionenquellenanordnung 43 und der Extraktcrelektrode 48 eingestellt wird, wobei diese Spannungsdifferenz die Ionen zur Bildung des IonenstrahlsThe charged plasma in the anode 36 is then drawn out by applying the electrical potential on the extractor electrode 48 to achieve an accelerating voltage difference V (O) between the ion source arrangement 43 and the Extractcrelectrode 48 is set, with this voltage difference the ions to form the ion beam

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auf eine Anfangsgeschwindigkeit oder eine Anfangsenergie "beschleunigt.to an initial velocity or energy "accelerates.

Das Magnetfeld des Analysatormagnets 16 wird mit Hilfe des Steuerteils der Einheit 74 vom Hauptsteuerpult 81 aus so eingestellt, daß Ionen der gewünschten Masse aus der Austrittsöffnung 54 des Analysatormagnets austreten.The magnetic field of the analyzer magnet 16 is measured using the Control part of the unit 74 from the main control desk 81 set so that ions of the desired mass from the Exit opening 54 of the analyzer magnet.

Das elektrische Potential des Beschleunigungsabschnitts wild mit Hilfe des Steuerteils der Einheit 75 so eingestellt, daß der Energiewert und die Geschwindigkeit der Ionen entsprechend den bestimmten Implantationsanforderungen verwendet werden.The electric potential of the accelerating section is set by means of the control part of the unit 75 so that that the energy value and velocity of the ions are used according to the particular implantation requirements will.

Das elektrische Potential an der oberen Elektrode 27 und an der unteren Elektrode 30 des Beschleunigungsabschnitts 21 wird durch die zugehörige Energieversorgungs- und Steuereinheit 75 so eingestellt, daß die gewünschte Implantationsendenergie erreicht wird.The electrical potential at the upper electrode 27 and at the lower electrode 30 of the accelerating section 21 is set by the associated energy supply and control unit 75 so that the desired end-of-implantation energy is achieved.

Das elektrostatische Feld des Beschleunigungsabschnitts wird dazu verwandet, den Ionenstrahl 14 so zu formen, wie durch die typischen Ionenbahnen 67» 68, 69, 67* und 68' angegeben ist.The electrostatic field of the accelerating section is used to shape the ion beam 14 as through the typical ion trajectories 67 »68, 69, 67 * and 68 ' is specified.

Die Intensität des Magnetfeldes der nichtlinearen Linse wird durch den Steuerteil der zugehörigen Einheit 77 eingestellt, damit entsprechend der Feststellung durch die Strahlüberwachungsplatte 20 ein Strahlquerschnitt mit gleichmässiger Ionendichte erzielt wird.The intensity of the magnetic field of the non-linear lens is set by the control part of the associated unit 77, thus according to the determination by the beam monitoring plate 20 with a beam cross-section uniform ion density is achieved.

Die Intensität des Magnetfeldes des Strahldrehmagnets 19 wird durch den Steuerteil der zugehörigen Einheit 78 so eingestellt, daß ein senkrechtes Auftreffen der Ionen auf das Target 10 erzielt wird, wie ebenfalls durch die Überwachungsplatte 20 festgestellt werden kann.The intensity of the magnetic field of the rotating beam magnet 19 is determined by the control part of the associated unit 78 adjusted so that a perpendicular impingement of the ions on the target 10 is achieved, as also by the monitoring plate 20 can be determined.

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Nachdem die Einstellungen vorgenommen worden sind, können die Siliziumplättchen auf dem Target 10 für eine bestimmte Zeitdauer dem Ionenstrahl ausgesetzt werden, die zum Implantieren einer ausreichenden Anzahl von Ionen zur Schaffung des bestimmten gewünschten Halbleiterbauelements erforderlich ist.After the settings have been made, the silicon wafers on the target 10 can be used for a specific Period of time exposed to the ion beam necessary to implant a sufficient number of ions is required to create the particular semiconductor device desired.

In der obigen Beschreibung sind zur Erzielung eines divergierenden Strahls, zur Erzielung einer gleichmässigen Strahldichte am Target und zur Änderung der lonenbahnen derart, daß sie in einem bestimmten Winkelbereich auf das Target auftreffen, zwar magnetische und elektrostatische Einrichtungen angegeben, doch können die Ergebnisse auch auf andere Weise erzielt werden.In the above description are to achieve a diverging beam, to achieve a uniform Radiance on the target and to change the ion paths in such a way that they are in a certain angular range hitting the target, magnetic and electrostatic devices are indicated, but the results can also be achieved in other ways.

Claims

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Claims

Broad beam particle accelerator with a target and means for generating a charged particle beam, characterized by means for broadening of the beam to a larger cross-sectional area and a device for achieving a uniform Particle density of the broadened beam at the target.

2. Particle accelerator according to claim 1, characterized by a device for changing the particle trajectories such that they are generally parallel to each other.

3. Particle accelerator according to claim 2, characterized in that the device for changing the particle trajectories of the charged particles contain a magnet whose polar axis coincides with the axis of the beam.

4. Particle accelerator according to one of claims 1 to 3, characterized in that the means for generating of the charged particle beam, a device for extracting the charged particles to form a beam with a substantially uniform cross-sectional distribution of the charged particles.

5. Particle accelerator according to one of the preceding claims, characterized by a device for separating charged Particles from the beam for generating a beam containing only charged particles of a preselected atomic weight range contains.

6. Particle accelerator according to one of the preceding claims, characterized in that the device for widening of the beam contains a device for generating an electric field which forms an acceleration section,

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whose polar axis coincides with the axis of the ray.

7. Particle accelerator according to claim 6, characterized in that that the device for generating an electric field which forms an acceleration section, includes an upper electrode in which an entrance aperture is mounted, which charges the passage of the beam from Particles made possible - j? - and that a device to create a voltage between the top electrode and a lower electrode is provided which generates an electric field to accelerate and broaden the beam.

8. Particle accelerator according to one of claims 1 to 5, characterized in that the device for widening of the beam contains a magnet whose polar axis coincides with the axis of the beam, and that one Means for exciting the magnet is provided.

9 «particle accelerator according to one of the preceding claims, characterized in that the devices for achieving a uniform particle density of the beam at the target several devices for generating a van. contains a magnetic field arranged in the beam of charged particles, and in that the devices for generating the magnetic field are arranged so that their polar axes are perpendicular to the axis of the beam.

10. Particle accelerator according to claim 9, characterized in that that the devices for generating the magnetic field is arranged so that adjacent devices have the opposite polarity.

11. Particle accelerator according to one of the preceding claims, characterized in that the devices to achieve a beam with a uniform

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- ιε -

.Particle density on the target several devices for generating an electrostatic field around the charged particle beam.

12. Particle accelerator according to claim 11, characterized in that that the devices for generating the electrostatic field are arranged so that adjacent devices have the opposite polarity.

13. Particle accelerator according to one of the preceding claims, characterized by an adjustable energy supply unit for (I) the device for generating the charged Particles, (II) the device for accelerating the charged particles, (III) the device for broadening of the beam, (IV) the device for generating the beam with uniform particle density, (V) the device for0 Separating charged particles and (VI) the means for changing the orbits of the charged particles.

14. A method for doping a semiconductor body by directing the beam of charged doping particles onto the body, characterized in that the jet has a uniform particle density and at the same time over the entire area impinges on a selected area of the semiconductor body.

15. The method according to claim 14, characterized in that die'Bahnen of the charged particles, the _f incident on the semiconductor body parallel to each other in general.

16. The method according to claim 14 or 15, characterized in that that the beam has an approximately uniform cross-sectional distribution of the charged particles.

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17. The method according to any one of claims 14 to 16, characterized in that the beam of charged particles with respect to the surface of the semiconductor body to prevent the charged particles from channeling into the semiconductor body runs obliquely.

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