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DE69330699T2 - Ionenstrahl-Abrasterungsvorrichtung - Google Patents

Ionenstrahl-Abrasterungsvorrichtung

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DE69330699T2
DE69330699T2 DE69330699T DE69330699T DE69330699T2 DE 69330699 T2 DE69330699 T2 DE 69330699T2 DE 69330699 T DE69330699 T DE 69330699T DE 69330699 T DE69330699 T DE 69330699T DE 69330699 T2 DE69330699 T2 DE 69330699T2
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DE
Germany
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ion beam
ions
workpiece
deflection
trajectory
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Victor Maurice Benveniste
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Axcelis Technologies Inc
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/30Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects
    • H01J37/317Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for changing properties of the objects or for applying thin layers thereon, e.g. for ion implantation
    • H01J37/3171Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for changing properties of the objects or for applying thin layers thereon, e.g. for ion implantation for ion implantation
    • HELECTRICITY
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    • H01J37/147Arrangements for directing or deflecting the discharge along a desired path
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    • H01J37/1474Scanning means
    • H01J37/1477Scanning means electrostatic

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Description

    1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ionenstrahlimplantationssystem, das ein Struktur für das Ablenken von Ionen auf eine Oberfläche eines Siliziumwafers umfasst, so dass die Ionen auf dem Siliziumwafer unter gesteuerten bzw. kontrollierten Auftreffwinkeln auftreffen, während sie über die Waferoberfläche gescannt werden.
  • 2. Technischer Hintergrund
  • Zur Erhöhung der Ausbeute bei der Fertigung von integrierten Schaltungen aus Halbleiterwafern durch Ionenstrahldotierung ist es wichtig, dass eine Dotierungsgleichförmigkeit über die Waferoberfläche erreicht wird. Ein Faktor, der die Dotierungsgleichförmigkeit beeinflusst, ist die Gleichförmigkeit des Auftreffwinkels zwischen dem Ionenstrahl und dem Siliziumwafer während der Ionenimplantation. In Implantierern mit mittleren Strömen gemäß dem Stand der Technik wird ein Ionenstrahl elektrostatisch von einer ursprünglichen Trajektorie oder Flugbahn um einige Grad abgelenkt, um über den Siliziumwafer zu streichen und den Siliziumwafer auf eine kontrollierte, gleichmäßige Weise zu dotieren. Wenn der Durchmesser des Siliziumwafers in der Größenordnung von 10 Zentimetern ist, erzeugen solche Ablenkungen kleine Winkelabweichungen des Auftreffwinkels. Mit dem Anwachsen der Größe des Siliziumwafers wächst jedoch die Abweichung des Auftreffwinkels von der Mitte bis zur Aussenkante des Wafers ebenso an.
  • Zum Abtasten bzw. Überstreichen über Wafer mit großen Durchmessern wuchs die Ionenstrahlflugbahn mit mittlerem Strom an, was Probleme bei der Strahltransmission hervor rief. Zunehmend sind sogar schwache Winkelvariationen für diese Implantierer unakzeptierbar geworden. Verschiedene Techniken wurden ausprobiert, um die durch die Strahlablenkung hervor gerufenen Winkelvariationen zu vermeiden. Die gebräuchlichste Prozedur ist es, den Strahl zurück abzulenken, und zwar nach seiner ursprünglichen Ablenkung, bevor er den Bereich des Auftreffens auf den Siliziumwafer erreicht.
  • Beispiele für Patente aus dem Stand der Technik, die die Variation im Auftreffwinkel behandeln, sind US-Patent Nr. 4,794,305 von Matsukawa; US- Patent Nr. 4,276,477 von Enge; US-Patent Nr. 4,687,936 von McIntyre et al.; und US-Patent Nr. 4,922,106 von Berriam et al.
  • US-Patent Nr. 5,091,655 von Dykstra et al. offenbart ein Ionenstrahlimplantationssystem, in dem ein Ionenstrahl steuerbar von einer Anfangstrajektorie abgelenkt wird, während er durch beabstandete, parallele Platten hindurch geht. Einmal abgelenkt, tritt der Ionenstrahl in einen Beschleuniger ein, der sowohl den einmal abgelenkten Ionenstrahl zurück ablenkt und die Ionen im Strahl auf die letztendlich gewünschte Energie beschleunigt. Ionen im Strahl, die aus dem Beschleuniger austreten, folgen Trajektorien, die auf das Werkstück unter gesteuerten Auftreffwinkeln auftreffen.
  • Während der Strahl elektrostatisch abgelenkt wird, wird er auch in der Ablenkebene fokussiert. Die Stärke der Fokussierung ist proportional zum Quadrat des Ablenkwinkels. Im Ergebnis variiert die Weise, wie der Strahl abgebildet wird, über die Ablenkwinkel. Wenn der Ablenkwinkel größer wird, wird auch der Fokussiereffekt größer. Die Folge dieses Fokussiereffekts ist es, dass die Strahlgröße und -form am Ziel als eine Funktion der Position variiert, was es erschwert, eine Dotierungsgleichförmigkeit zu erreichen, sogar dann, wenn der Auftreffwinkel der Ionen auf dem Werkstück gut gesteuert wird.
  • Die Europäische Patentanmeldung EP-A-0 445 964 offenbart ein elektrostatisches Scan- oder Abtastsystem für eine Ionenstrahl. Der Strahl geht durch eine Quadrupollinse für das Fokussieren des Strahls hindurch, ferner durch einen Y-Scanner oder Y-Abtaster, um dem Strahl eine konstante Ablenkung zu erteilen, und durch einen Konvertierer zum Konvertieren bzw. Umkehren des winkelmäßig abgetasteten Strahls in einen parallel abgetasteten Strahl.
  • Offenbarung der Erfindunci
  • Das Verfahren für eine Ionenstrahlbehandlung eines Werkstücks gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Das Ionenstrahlimplantationssystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch Anspruch 4 definiert. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt. Ein Ausführungsbeispiel betrifft ein Ionenstrahlimplantationssystem für ein steuerbares Behandeln eines Werkstücks und es weist eine Quelle für das Liefern von Ionen auf, die das Werkstück behandeln, und einen Werkstückträger für die Orientierung des Werkstücks relativ zur Quelle. Ionen von der Quelle werden entlang einer ersten Trajektorie emittiert bis sie eine Elektrodenstruktur erreichen, die ein Dipolfeld erstellt, das die Ionen von der ersten Trajektorie ablenkt. Durch Einstellen der an die Elektrodenstruktur angelegten Elektrodenspannung treten die Ionen aus der Elektrodenstruktur unter verschiedenen Orientierungen aus, und zwar innerhalb eines Konus von möglichen Trajektorien. Eine zweite Elektrode lenkt die Ionen in eine Zielebene erneut ab, so dass die Ionen die Ebene unter einem gesteuerten Winkel schneiden. Das Ziel oder Werkstück ist für eine relative Bewegung durch den Ionenstrahl montiert, so dass das gesamte Werkstück behandelt wird.
  • Ein Fixieren des Ablenkwinkels, um welchen die Ionen gebogen bzw. abgelenkt werden, gestattet es, die Länge der Strahllinie von der Quelle bis zum Ziel zu fixieren. Der Strahl rotiert einfach um die Anfangsachse der Fortpflanzung. Dies stellt eine gute Strahlintegrität sicher und stellt ferner sicher, dass auf jeden Punkt auf dem Ziel durch eine gesteuerte bzw. kontrollierte Verteilung der Einfallswinkel getroffen wird. Diese und andere Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden besser verstanden werden aufgrund der detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, das zusammen mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Ionenimplantationssystems für das Behandeln eines Werkstücks an einer Implantationsstation;
  • Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Ionenstrahlablenkung um eine azimuthale Richtung zeigt;
  • Fig. 2A ist eine schematische Darstellung des Ionenstrahls, der auf ein Werkstück trifft;
  • Fig. 3 ist eine schematische Seitenansicht, die die Ablenkung des lonenstrahls zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Fig. 1 stellt ein Ionenimplantationssystem 10 mit einer Ionenquelle 12 für das Erzeugen eines Ionenstrahls 14 dar. Eine Extraktionsleistungsversorgung 15 spannt eine Extraktionselektrode der Quelle auf ein Potential von angenähert 20 Kilovolt vor für das Beschleunigen von Ionen aus der Quelle 12 entlang eine Trajektorie vor, die zu einem Ionenmassenanalysiermagneten 16 führt. Der Magnet 16 biegt den Stahl 14 um angenähert einen rechten Winkel und richtet die Ionen mit einer geeigneten Masse entlang eines Fortbewegungsweges durch eine Blende 20. Die Blende 20 weist Ionen miti einer ungeeigneten Masse aus dem Ionenstrahl 14 ab.
  • Der Ionenstrahl 14 geht als nächstes durch eine Multipol- Ablenkelektrodenanordnung 28 hindurch. Durch eine Leistungsversorgung 29 angelegte Steuerspannungen regen die Element der Elektrodenanordnung 28 an, um ein elektrisches Feld mit einer Dipolkomponente zu erzeugen. Wenn der Ionenstrahl 14 durch einen Bereich hindurch geht, der durch die Elektrodenanordnung 28 eingegrenzt ist, werden die Ionen unter einem kontrollierten bzw. gesteuerten Winkel um ein gesteuertes Ausmaß abgelenkt, und zwar basierend auf das an die Elektroden in der Anordnung angelegte elektrische Potential. In einem bevorzugten und offenbarten Ausführungsbeispiel, weist die Anordnung acht elektrisch leitende, langgestreckte Stangen 40-47 (Fig. 2) auf, die parallel zueinander entlang der Anfangstrajektorie des Ionenstrahls ausgerichtet sind, wenn der Strahl aus dem Analysiermagneten austritt. Der Winkelabstand zwischen benachbarten Elektroden ist am bevorzugtesten 360/8 = 45º.
  • Durch die Elektrodenanordnung 28 abgelenkte Ionen gehen durch ein Paar von gekrümmten Elektroden 48, 49 mit konstantem Potential hindurch, die die Ionen zurück ablenken. Nach dieser doppelten Ablenkung der Ionen treffen die Ionen auf ein Werkstück unter einem gesteuerten Auftreffwinkel auf. Fig. 1 stellt eine Implantationsstation 50 dar mit einem Waferträger 51, der einen Halbleiterwafer 60 in eine Position orientiert, um die Ionen abzufangen, die zwei Mal abgelenkt wurden. Ionenstrahlkollisionen mit anderen Teilchen degradieren die Strahlintegrität, und daher ist der gesamte Strahlweg von der Quelle 12 bis zur Implantationsstation 50 evakuiert.
  • Bei der Ionenimplantationsstation 50 wird eine Kammer 52 evakuiert und die Wafer werden eingeführt und aus Ladeschleusen herausgenommen, um ein wiederholtes unter Druck setzten und evakuierten der Kammer 52 zu vermeiden. Ein mechanischer Arm 54, der ausserhalb der Kammer 52 angeordnet ist, greift einen Wafer, der auf einem Shuttle bzw. einem Transporter 62 getragen ist, der den Wafer von einer Kassette 64 erhalten hat. Der Arm 54 positioniert zuerst jeden undotierten Wafer auf einem Waferorientierer 66. Der Orientierer 66 dreht den undotierten Wafer in eine bestimmte Orientierung vor der Ionenimplantation, so dass wenn Ionen den Wafer treffen, sie eine spezifische Orientierung der Waferkristallgitterstruktur antreffen. Der Wafer wird zurück in eine Ladeschleuse 68 bewegt, so dass ein zweiter Am 70 die Wafer in eine Implantationsposition in der Kammer bewegen kann. Am Ort der Ionenimplantation orientiert der Waferträger 51 den Wafer im Bezug auf den Strahl und bewegt den Wafer vor und zurück durch den Ionenstrahl. Sobald die Wafer behandelt wurden, werden sie durch einen Arm 72 in eine zweite Ladeschleuse 74 bewegt. Aus dieser zweiten Ladeschleuse werden die Wafer durch einen Arm 76 in einen Shuttle oder Transporter 78 bewegt, der die behandelten Wafer in einer Kassette 80 lagert.
  • Zurück zu Fig. 2, ist der in eine durch die vielfachen Elektroden der Anordnung 28 begrenzten Bereich eintretende Ionenstrahl 14 ein gut definierter, kollimierter bzw. gebündelter Strahl, der durch eine Blende 20 hindurch gegangen ist. Durch die geeignete Steuerung der Elektrodenspannungen mittels der Leistungsversorgung 29 kann dieser Strahl so gestaltet werden, dass er von seinem Anfangsweg um ein gesteuertes Ausmaß und einen gesteuerten Winkel abgelenkt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Ausmaß der Ablenkung konstant gehalten und das azimuthale Ausmaß der Ablenkung gesteuert. Eine zeitlich veränderliche Spannung, die durch die Leistungsversorgung angelegt wird, kann, wie in Fig. 2 dargestellt, bewirken, dass der Ionenstrahl 14 einen gekrümmten bzw. gebogenen Bereich von Trajektorien abstreicht, wenn der Ionenstrahl die Anordnung 28 verläßt. Zu jeder Zeit folgt der Strahl nur den Wegen, die in Fig. 2 dargestellt sind, so dass Fig. 2 eine Ionenstrahldarstellung im Zeitverlauf repräsentiert.
  • Gemäß Fig. 2A, ist ein Teil eines Bogens 82, der durch den Ionenstrahl 14 abgestrichen wird, beim Schneiden eines Halbleiterwafers 60 gezeigt. Eine gesteuerte Anregung der Elektroden, die die Anordnung 28 bilden, über die Leistungsversorgung streicht vor und zurück bzw. hin und her entlang des Bogens 82. Der Träger 51 ist mit einem Betätiger (nicht gezeigt) gekoppelt, der den Wafer 60 hin und her bewegt, wie durch den Pfeil in Fig. 2A dargestellt ist, um eine vollständige Ionenimpfantation des Wafers 60 zu erreichen. Durch geeignetes Neigen des Wafers 60 wird der Auftreffwinkel zwischen dem Ionenstrahl und dem Wafer gesteuert und relativ gleichförmige Ionenauftreffwinkel werden erreicht.
  • Die Leistungsversorgung 29 hat einen Steuerausgang für jede Elektrode in der Anordnung 28. Durch Schalten der an die Anordnung angelegten Spannungen in einer regelmäßigen, periodischen Weise kann eine Dipolfeldkomponente dahin gebracht werden, den Ionenstrahl hin und her in einem gesteuerten Bogen über den Wafer 60 zu streichen.
  • Die Ablenkplatten 48, 49 lenken den Ionenstrahl zurück nach der Anfangsablenkung durch die Elektrodenanordnung 28. Wie in Fig. 2 zu sehen, bildet auch die Elektrodenanordnung 48, 49 einen Bogen, der den Fokussieraspekt der zuvor erwähnten Doppelablenkungsverfahren des Standes der Technik eliminiert.
  • Die Ablenkwinkel sind fixiert, so dass die Länge der Strahllinie von der Elektrodenanordnung 28 bis zum Werkstückträger 51 fest ist. Tatsächlich kann die Form des Ionenstrahls 14 invariant gemacht werden - er rotiert einfach um die anfängliche Fortplanzungsachse. Dies garantiert eine stabile Winkelintegrität. Große Ablenkwinkel können durch die Multipol- Elektrodenanordnung 28 erreicht werden. Das folglich starke Fokussieren des Strahls ist fixiert und demgemäß kann ihm richtig begegnet werden durch die Nutzung der gebogenen Elektrodenanordnung 48, 49. Eine kurze Strahllinientransmission wird erreicht, während große Scan- oder Abtastwinkel für Wafer mit großen Durchmessern beibehalten werden.
  • Fig. 3 stellt eine Modifikation der Anordnung der Fig. 2 dar, um große Scanwinkel ohne große Anfangsablenkwinkel zu erreichen. Diese Anordnung nutzt eine ähnliche Multipol-Anordnung von Elektroden, jedoch schränkt sie das Maß der durch eine solche Anordnung erzeugten Ablenkung auf eine kleines Maß ein, beispielsweise auf sechs Grad. Ein nachgeschalteter Deflektor bzw. Postdeflektor fügt die restliche Ablenkung hinzu. Diese zusätzliche Ablenkung wird durch eine Elektrode 90 mit Zylindersymmetrie erreicht, die stromabwärts von der ersten Multipol-Elementanordnung positioniert ist. Ab diesem Punkt sind die Ausführungsbeispiele der Fig. 3 und der Fig. 2 gleich. Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch den Strahl basierend auf dieser alternativen Ionenstrahlscananordnung.
  • Die vorliegende Erfindung wurde mit einem gewissen Genauigkeitsgrad beschrieben, jedoch ist beabsichtigt, dass die Erfindung alle Modifikationen und Abweichungen vom offenbarten Aufbau umfasst, die in den Umfang der angefügten Ansprüche fallen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Ionenstrahlbehandlung eines Werkstückes (60), das die Folgenden Schritte aufweist:
a) Einen Ionenstrahl (14) zu einer Bewegung entlang einer Anfangstrajektorie bringen;
b) Orientieren des Werkstückes an einem Zielort;
c) die Trajektorie bzw. Flugbahn der Ionen zum Divergieren weg von der Anfangstrajektorie um ein gesteuertes Ablenkungsausmaß bringen, und zwar durch ein elektrisches Dipolfeld in einem Bereich, der vom Ionenstrahl' durchschnitten bzw. von diesem eingeschlossen wird;
d) nochmaliges Ablenken der Ionen durch Erzeugen eines statischen elektrischen Feldes, das die Ionen auf das Divergieren des Strahls folgend nochmals ablenkt; und
e) Bewegen des Werkstückes vor und zurück, um die Ionen dazu zu bringen, dass sie durch das statische elektrische Feld für die Behandlung der gesamten Werkstückoberfläche hindurch gehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Trajektorie bzw. Bahn der Ionen variiert wird durch Einstellen der Richtung des elektrischen Dipolfeldes für ein Variieren des Azimuthwinkels der Ionenstrahlablenkung, und zwar durch Scannen bzw. Abtasten des abgelenkte Ionenstrahl um eine Drehachse, ohne den Winkel zu ändern, untere dem der Strahl von der Drehachse abgelenkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Trajektorie der Ionen durch zyklisches Einstellen der Orientierung des elektrischen Dipolfeldes variiert wird, was den Strahl zu einem Vor- und Zurückstreichen über das Werkstück bringt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das das Erzeugen eines zeitlich variierenden elektrischen Multipolfeld in dem durch den Ionenstrahl durchschnittenen Bereich aufweist, so dass der Ablenkwinkel fest ist und in einem bogenförmigen Weg abtastet.
4. Ein Ionenstrahlimplantationssystem (10) für die steuerbare Behandlung eines Werkstückes (60), das Folgendes aufweist:
a) Quellenmittel (12) für das Vorsehen von Ionen zum Behandeln des Werkstückes;
b) Werkstücktragemittel (51) für das Orientieren des Werkstückes in einer Zielebene relativ zu den Quellenmitteln;
c) Strahlformungsmittel (16), um die aus den Quellenmitteln emittierten Ionen zur Bildung eines Ionenstrahls (14) zu bringen, der sich entlang einer ersten Trajektorie bewegt;
d) Dipolablenkmittel (28) für das Ablenken von Ionen im Ionenstrahl aus der ersten Trajektorie;
e) Elektrodenablenkmittel (48, 49) für das nochmalige Ablenken von durch die Dipolablenkmittel abgelenkten Ionen zur Zielebene;
f) Abtast- bzw. Scanmittel für das Bewegen der Werkstücktragemittel, um die Ionen zu einem Auftreffen auf dem Werkstück bei gesteuerten Bereichen auf der Werkstückoberfläche zu bringen; und
g) Steuermittel (29) für die Dipolablenkmittel (28), dadurch gekennzeichnet, dass die Dipolablenkmittel eine mehrpolige Elektrodenanordnung für das Ablenken des Ionenstrahls um ein festes Ausmaß aufweisen, und dass die Steuermittel (29) zum Anlegen von zeitlich variierenden Steuersignalen an die Elektrodenanordnung dienen, und zwar für das Variieren der Azimutzrichtung der Ablenkung, und um den Strahl dazu zu bringen, dass er über einen Bogen in bzw. an der Werkstückebene streicht, wenn sich die Azimuthrichtung ändert, um welche der Ionenstrahl abgelenkt wird.
5. Ionenstrahlimplantationssystem nach Anspruch 4, wobei die Dipolablenkmittel (28) langgestreckte, metallische Elektroden (40-47) aufweisen, die sich paratllel zueinander und im allgemeinen parallel zu einer Eingangstrajektorie bzw. -flugbahn des Strahls erstrecken, wenn der Strahl in einen durch die metallischen Elektroden begrenzten Bereich eintritt.
6. Ionenstrahlimplantationssystem nach Anspruch 5, wobei die Steuermittel individuell das elektrische Potential an jeder langgestreckten, metallischen Elektrode steuern.
7. Ionenstrahlimplantationssystem nach Anspruch 4, 5 oder 6, wobei die Elektrodenablenkmittel beabstandete, bogenförmige Elektrodenplatten (48, 49) aufweisen, die auf Steuerspannungen vorgespannt sind für das nochmalige Ablenken der Ionen auf das Werkstück zu.
8. Ionenstrahlimplantationssystem nach Anspruch 4, 5 oder 6, wobei die Elektrodenablenkmittel zwei voneinander beabstandete, gekrümmte Elektroden (48, 49) und eine Leistungsversorgung (102) für das Anlegen eines festen elektrischen Potentials zwischen den voneinander beabstandeten, gekrümmten Elektroden aufweisen.
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