Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Metallio¬ nenquelle mit einer mit Gas gefüllten Ionenkammer zum Er¬ zeugen von Gasionen, die auf ein Metallteil aus dem zur Ab¬ gabe der Metallionen bestimmten Metall beschleunigt werden und bei .ihrem Auftreffen auf das Metallteil Metallatome aus diesem herauslösen, welche ihrerseits ionisiert werden.

Gleichfalls bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Erzeugen vom Metallionen, welches insbesondere für die Ionenimplantation in Halbleiterwafern zur Herstellung von dotierten Halbleiterstrukturen dient, bei dem zunächst Gas¬ ionen erzeugt werden, sodann diese auf ein Metallteil aus dem zu Abgabe der Metallionen bestimmten Metall beschleunigt werden, woraufhin bei dem Auftreffen der Gasionen auf das Metallteil Metallatome aus diesem herausgelöst werden, die dann ihrerseits ionisiert werden.

In der Haübleitertechnik werden beispielsweise zum Aufbrin¬ gen vom Metall auf die Oberflächen von Halbleiterwafern so¬ genannte Sputterquellen eingesetzt. Dieses durch Sputtern auf die Oberfläche eines Halbleiterwafers aufgebrachte Me¬ tall, bei dem es sich beispielsweise um Gold oder Platin handeln kann, wird nach dem Aufbringen auf die Oberfläche in den Halbleiterkörper eindiffundiert, um eine bestimmte Do¬ tierung und somit eine bestimmte Herabsetzung der Lebens¬ dauer von Minoritätεträgern zu erzielen.

Bei einer bekannten Sputterquelle werden zunächst innerhalb einer Ionenkammer Argonionen innerhalb eines ersten elek¬ trischen Feldes erzeugt. Ein Target aus dem zur Abgabe der Metallionen bestimmten Metall liegt in einer abgetrennten

Struktur innerhalb der Ionenkammer und wird mit einem eige¬ nen Potential zur Erzeugung eines getrennten elektrischen Feldes beaufschlagt, innerhalb dessen die Gasionen auf das Target zum Auslösen von Metallatomen beschleunigt werden. Auch die anschließende Ionisation und Nachbeschleunigung der abgesputterten Metallatome findet in einem eigenen elektri¬ schen Feld statt, das unabhängig von dem elektrischen Feld zur Ionisation des Argongases ist.

Die bekannte Metallionenguelle in Form der oben beschriebe¬ nen Sputterquelle ist dahingehend als nachteilig anzusehen, daß sie über wenigstens zwei voneinander unabhängige Hoch¬ spannungsquellen verfügen muß, so daß die bekannte Metall¬ ionenquelle bereits aus diesem Grunde technisch wie finan¬ ziell aufwendig ist. Ferner müssen wenigstens zwei getrennte Elektrodenzuführungen mit entsprechenden Iso.'.ationsvorrich- tungen vorgesehen sein, bei denen es sich im Falle der Me¬ tallionenquellen der in Rede stehenden Art um aufwendige Keramikisolationsvorrichtungen handeln muß. Auch aus diesem Grunde ist die bekannte Metallionenguelle nötigerweise auf¬ wendig und kostspielig. Ferner erweist es sich bei der be¬ kannten Metallionenquelle als schwierig, Implantationen von sehr kleinen Metalldosen in der Größenordnung von 10 ^u cm - vorzunehmen, wie sie für die Lebensdauerdotierung von Halb¬ leitern benötigt werden.

^" Ferner sind Metallverdampfungsverfahren und Metallverdamp¬ ferquellen bekannt, mit denen Metall auf einen zu bedampfen¬ den Körper aufgebracht werden kann. Beispiele dieser Techno¬ logien sind beschrieben in der DE 2827647, der DE-AS 2521536, der DE-AS 2364379 sowie der DE-OS 1765636. Bei der Verdampfertechnik nach der letztgenannten Schrift zum Stand der Technik wird ein Stab des zu verdampfenden Metallteileε in der Nähe einer Heizwendel angeordnet, wobei ein hohes Gleichspannungspotential zwischen der Heizwendel und dem Stab des zu verdampfenden Gutes eingesetzt wird. Derartige Verdampfertechnologien eignen sich jedoch weder für die Implantation sehr geringer Metalldosen in der oben genannten

Größenordnung, noch können sie für alle Verbindungen einge¬ setzt werden, da es beispielsweise bei dem Metallplatin an geeigneten Verbindungen fehlt, um dieses bei den Temperatu¬ ren innerhalb einer Verdampferquelle von etwa 800°C mit genügend hohem Dampfdruck verdampfen zu lassen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Metallionenquelle der eingangs genannten Art so weiter¬ zubilden, daß diese eine vereinfachte Struktur hat.

Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfah¬ ren zum Erzeugen von Metallionen der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß mit diesem in zuverlässiger Weise bei niedrigem verfahrenstechnischem Aufwand auch geringe Metall¬ dosen erzeugbar sind.

Die erstgenannte Aufgabe wird durch eine Metallionenquelle mit den in dem unabhängigen Sachanspruch angegebenen Merkma¬ len gelöst.

Die zweitgenannte Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Er¬ zeugen von Metallionen mit dem im unabhängigen Verfahrens¬ anspruch angegebenen Merkmalen gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei Anord¬ nung der als Heizdraht axisgebildeten Glühkathode in der Ionenkammer in Nachbarschaft zu dem Metallteil, das zur Ab¬ gabe der Metallionen bestimmt ist, eine erhebliche Verein¬ fachung und Verbesserung der eingangs geschilderten Metall¬ ionenquelle nach dem Stand der Technik, die nach dem Sput- terverfahren arbeitet, erzielbar ist. Die erfindungsgemäße Metallionenquelle arbeitet für die Erzeugung der Gasionen, für das Beschleunigen der Gasionen auf das zur Abgabe der Metallionen bestimmte Metallteil und für das anschließende Ionisieren der herausgelösten Metallatome mit einem einzigen elektrischen Feld, das zwischen der als Heizdraht ausgebil¬ deten Glühkathode und einer Anode erzeugt wird, die durch die Wandung der Ionenkammer gebildet sein kann. Hierdurch

entfällt beim Gegenstand der Erfindung das Erfordernis zweier getrennter Hochspannungsquellen für die Potentialbe¬ aufschlagung zweier Elektroden, wie dies bei der eingangs erläuterten Metallionenquelle nach dem Stand der Technik der Fall ist. Dementsprechend sind die Isolationsdurchführungen für die Kathode bei der erfindungsgemäßen Metallionenquelle auch deutlich einfacher als die Isolationsdurchführungen für die Elektroden bei der bekannten Metallionenguelle.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen von Metallionen arbeitet mit einem einzigen elektrischen Feld für die Elek¬ tronenemission aus der Glühkathode in Form des Heizdrahteε, für die Gasionisation, für die Beschleunigung der Gasionen und für das anschließende Ionisieren der ausgelösten Metall¬ atome und für das Nachbeschlsunigen der Metallionen. Inner¬ halb dieses einzigen elektrischen Feldes für die oben ge¬ nannten Zwecke werden also zunächst Elektronen aus der Glüh¬ kathode zum Ionisieren des Gases emittiert. Die emittierten Elektronen werden in diesem elektrischen Feld beschleunigt, um nach Durchlaufen der mittleren freien Wegstrecke das Gas zu ionisieren. Die so erzeugten Gasionen werden ihrerseits in diesem elektrischen Feld auf das Metallteil hin beschleu¬ nigt. Die aus dem Metallteil ausgelösten Metallatome werden mittels der von der heizdrahtförmigen Glühkathode emittier¬ ten Elektronen ionisiert. Die so gebildeten Metallionen wer¬ den unter der Wirkung dieses elektrischen Feldes beschleu¬ nigt. Im Gegensatz zu dem Metallionenerzeugungsverfahren nach dem Stand der Technik, bei dem der verfahrensmäßige Ab¬ lauf der Gasionenerzeugung völlig getrennt von demjenigen der Metallionenerzeugung ist, ist das erfindungsgemäße Metallionenerzeugungsverfahren ein einheitlicher Prozeß, der im Gegensatz zu dem Verfahren nach dem Stand der Technik weder separate Felder noch eine ablaufmäßige Trennung von unterschiedlichen Verfahrensschritten voraussetzt.

Besondere Bedeutung kommt dem erfindungsgemäßen Metallionen¬ erzeugungsverfahren für die Implantation niedriger Dosen von Dotierungsmetallen, wie beispielsweise Platin, zu. Das er-

findungsgemäße Implantationsverfahren unter Verwendung des erfindungsgemäßen Metallionenerzeugungsverfahrens erlaubt eine genaue Steuerbarkeit der durch Metallionenimplantation erzielten Dotierung.

Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Metall¬ ionenquelle und des erfindungsgemäßen Metallerzeugungsver¬ fahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfin¬ dungsgemäßen Metallionenguelle und eine bevorzugte Ausfüh¬ rungsform des erfindungsgemäßen Metallicnenerzeugungsver- fahrenε näher erläutert. Eε zeigen:

Die einzige Figur eine Schnittdarstellung durch ein Aus¬ führungsbeispiel der erfindungsgemäßen Metallionenquelle.

Die Ionenquelle, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugs- zeichen 1 bezeichnet ist, umfaßt eine Ionenkammer 1P mit einer leitfähigen, vorzugsweise aus einem Edelstahl beste¬ henden Kammerwandung Ib. Die Kammerwandung lb bildet, wie später verdeutlicht wird, die Anode der Ionenqualle 1. Auf einer Seite weist die Ionenkammer la eine Austrittsöffnung 2 auf, durch die, wie später näher erläutert wird, Metallionen austreten können. Durch die Ionenkammer la erstreckt sich eine elektrisch beheizbare Glühkathode in Form eines Heiz¬ drahtes 3, der bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel aus Wolfram besteht. Der Heizdraht 3 wird über Anschlußelektro¬ den 12, 13 mit einem Heizstrom versorgt, der ausreichend stark ist, um den Heizdraht 3 glühen zu lassen. Die Zulei¬ tungen 12a, 13a, die Elektroden 12, 13 und der hieran ange¬ schlossene Heizdraht 3 sind gegenüber der leitfähigen Kam¬ merwandung lb der Ionenkammer la durch Keramikisolierringe 14a, 14b isoliert. Die Keramikisolierringe liegen an ihrer Innenseite an je einem Elektronenreflektor 4, 5 an. Die Elektronenreflektoren bestehen aus einem leitfähigen Mate-

rial, wobei hierfür vorzugsweise Edelstahl verwendet wird. Die Elektronenreflektoren 4, 5 weisen ihrerseits eine In¬ nenbohrung 4a, 5a auf. Der Heizdraht 3 wird von den Innen¬ bohrungen 4a, 5a der Elektronenreflektoren 4, 5 fest um¬ schlossen und steht mit diesen in elektrisch leitendem Kon¬ takt. Die Elektroden 12 bzw. 13 werden mit einem gegenüber dem Massepotential der leitfähigen Kammerwandung lb negati¬ ven Potential zum Erzeugen eines elektrischen Feldes zwi¬ schen der Glühkathode und der durch die Kammerwandung lb gebildeten Anode beaufschlagt. Die Spannung zwischen der Anode und der Glühkathode ist, wie nachfolgend näher er¬ läutert wird, so hoch gewählt, daß sich eine Glimmentladung innerhalb der Ionenkammer la einstellt.

Ein Metallteil 6, das aus dem zur Abgabe der Metallionen be¬ stimmten Metall besteht, liegt im wesentlichen auf demselben Potential wie die Elektronenreflektoren 4, 5 und somit der Heizdraht 3. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt das Metallteil 6 wenigstens zwei Metalldrähte 6a, 6b, die sich parallel zu dem Heizdraht 3 erstrecken und in Bohrungen 4b, 4c eines der beiden Elektronenreflektoren 4 durch Pressitz gehalten sind.

Die Ionenkammer la ist mit einem ionisierbaren Gas gefüllt, das bei dem bevorzugten Auεführungεbeispiel Argon ist. Je¬ doch kann, wie für den Fachmann offensichtlich ist, auch ein anderes ionisierbares Gas eingeεetzt werden, wobei insbeson- dere auch Chlor in Betracht kommt.

Oberhalb und unterhalb der Ionenkammer la liegen die Magnet¬ pole 7, 8 einer Magnetfelderzeugungsvorrichtung, die ein die Ionenkammer la parallel zum Heizdraht 3 durchsetzendeε mag¬ netisches Feld erzeugt.

Außerhalb der Ionenkammer la liegt eine Extraktionselektrode 9 mit einer Elektrodenöffnung 15, die mit einem negativen Potential beaufschlagt ist.

Ein wesentlicher Aspekt der erfindungsgemäßen Metallionen¬ quelle beεteht darin, daß das zur Abgabe der Metallionen bestimmte Metallteil 6a, 6b derart benachbart zu dem Heiz¬ draht 3 angeordnet ist, daß das Metallteil 6a, 6b durch den Heizdraht 3 erwärmt wird. Durch diese erzwungene Erwärmung des Metallteiles 6, daε beispielsweise die Form von Metall¬ drähten 6a, 6b bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel haben kann, werden Kontaminationen an der Oberfläche des Metall- teileε 6 beseitigt, wodurch das Absputtern des Metalles ver¬ bessert wird. Zusätzlich wird die Erhöhung der Sputterate bei hohen Temperaturen ausgenutzt.

Gleichfalls besteht ein wesentlicher Aspekt der Erfindung darin, daß sich das Metallteil im wesentlichen auf dem Po¬ tential des Heizdrahteε 3 befindet. Bevorzugt ist daε Me¬ tallteil 6 leitend mit dem Heizdraht verbunden. Es ist je¬ doch auch möglich, eine -bezogen auf die Spannung zwischen dem Heizdraht 3 und der Kammerwandung lb kleine Potential¬ differenz zwischen dem Heizdraht 3 und dem Metallteil 6 zu¬ zulassen.

Die erfindungsgemäße Ionenguelle 1 arbeitet gemäß dem nach¬ folgend erläuterten Metallionenerzeugungsverfahren. In einem ersten Verfahrensεchritt wird der Heizdraht 3 auf eine hohe Temperatur von etwa 2000°C, die jedoch unterhalb seiner Schmelztemperatur liegt, durch entsprechende Stromzufuhr aufgeheizt. Durch Anlegen einer geeigneten Spannung zwischen dem Heizdraht 3, der als Glühkathode arbeitet, und der Kam¬ merwandung lb der Ionenkammer la, die als Anode arbeitet, wird ein einzigeε elektrisches Feld innerhalb der Ionenkam¬ mer la erzeugt. In diesem elektrischen Feld werden die aus der Glühkathode in Form des Heizdrahtes 3 auftretenden Elek¬ tronen zunächst in radialer Richtung beschleunigt, wobei sie aufgrund des senkrecht ihren anfänglichen Laufweg durchset¬ zenden magnetischen Feldes zu einer schraubenförmigen Bewe¬ gung von der Glühkathode in Form des Heizdrahtes 3 zu der Anode in Form der Kammerwandung lb gezwungen werden. Für den Fachmann ist offensichtlich, daß das Magnetfeld allein dazu

dient, die von den Elektronen durchlaufene Weglänge zwischen der Glühkathode und der Kammerwandung gegenüber deren radia¬ len Abstand zu erhöhen, um dadurch die Anzahl der Gasionen¬ bildungen zu erhöhen. Es ist also bei Inkaufnahme einer niedrigeren Ausbeute möglich, die erfindungsgemäße Ionen¬ quelle 1 auch ohne Magnetfeld zu betreiben. Die durch Auf- treffen der Elektronen auf die Argonatome erzeugten Argon¬ ionen werden durch das elektrische Feld in einer bezogen auf die mittlere Bewegungsrichtung der Elektronen umgekehrten Richtung beschleunigt. Diejenigen Argonionen, die auf die Metalldrähte 6a, 6b auftreffen, lösen auε dieεen Metallatome aus. Die bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel auf diese Weise erzeugten Platinatome werden durch die von dem Heiz¬ draht 3 emittierten Elektronen ionisiert.

Die positiv geladenen Platinionen, die auf diese Weise in dem einzigen elektrischen Feld, das die erfindungsgemäße Ionenkammer la durchsetzt, erzeugt werden, werden durch dieses bezogen auf den Heizdraht 3 in radialer Richtung nach außen beschleunigt, wobei die durch die Auεtrittsöffnung 2 ausgetretenen Platinionen durch das von der Extraktions¬ elektrode 9 erzeugte Feld nachbeschleunigt werden. Somit er¬ zeugt die Ionenquelle l einen Platinionenstrom in Richtung des in der Fig. angedeuteten Pfeiles.

Der Platinionenstrahl wird einer Selektion gemäß dem Ver¬ hältnis der Masεe zur Ladung der Ionenstrahlteilchen un¬ terworfen, einer weiteren Nachbeschleunigungseinheit zuge¬ führt und fokusεiert. Eine (nicht dargestellte) elektrosta¬ tische Ablenkeinheit sorgt für eine gleichmaßge Bestrahlung einer Halbleiterwaferscheibe, in die die Metallionen zu im¬ plantieren sind. Das erfindungsgemäße Implantationsverfahren findet vorzugsweiεe Einεatz für die Implantation kleiner Me¬ talldosen in HalbleiterStrukturen bei Dosen von einigen 10 ¹² Atomen cm ² min ^-1 .