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Methode zur Beseitigung von elektrischen Ladungen, welche sich auf dem Halbleitersubstrat während der Ionenimplantation aufbauen - Dokument DE69024172T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69024172T2 30.05.1996
EP-Veröffentlichungsnummer 0424925
Titel Methode zur Beseitigung von elektrischen Ladungen, welche sich auf dem Halbleitersubstrat während der Ionenimplantation aufbauen
Anmelder Kabushiki Kaisha Toshiba, Kawasaki, Kanagawa, JP
Erfinder Yoshida, Yukimasa, Yokohama-shi, Kanagawa-ken, JP;
Okumura, Katsuya, Yokohama-shi, Kanagawa-ken, JP
Vertreter Hoffmann, Eitle & Partner Patent- und Rechtsanwälte, 81925 München
DE-Aktenzeichen 69024172
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 24.10.1990
EP-Aktenzeichen 901204321
EP-Offenlegungsdatum 02.05.1991
EP date of grant 13.12.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.05.1996
IPC-Hauptklasse H01L 21/265
IPC-Nebenklasse H01J 37/317   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von elektrischer Ladung, die sich auf einem Halbleitersubstrat bei einer Ionenimplantation angesammelt hat, umfassend die folgenden Schritte: Implantieren von Ionen durch Aufstrahlen eines Ionenstrahls auf das Halbleitersubstrat, um so eine Verunreinigungsschicht darin zu bilden; und Bestrahlen eines vorgegebenen Abschnitts des Halbleitersubstrats mit Elektronen gleichzeitig mit dem Ionenstrahl. Ein derartiges Verfahren ist in der JP-A-01-220 350 diskutiert.

Der Integrationsgrad von integrierten Schaltungen wurde in diesen drei Jahren um einen Faktor 4 erhöht. Die Verbesserung des Integrationsgrads ist erreicht worden, indem eine Struktur der Halbleitereinrichtungen fein gemacht wurde. Um die Struktur extrem fein zu machen, ist es erforderlich und effektiv, die Dicke von Isolationsfilmen der Einrichtungen zu verringern. Beispielsweise wird in einer herkömmlichen Einrichtung vom MOS-Typ ein Siliziumoxidfilm (SiO&sub2;) mit einer Dicke von 10 nm allgemein als der Isolationsfilm davon verwendet. Während der Isolationsfilm durch eine sogenannte Ionenimplantation gebildet wird, bei der positive Ionen in Richtung auf das Substrat der Einrichtung hin beschleunigt werden und mit einer hohen Geschwindigkeit darin implantiert werden, sammelt sich deshalb eine positive elektrische Ladung auf dem Substrat an (ein Aufladungsphänomen), so daß es wahrscheinlich ist, daß der Isolationsfilm zerstört wird, wenn eine übermäßige elektrische Spannung darauf angewendet wird. Infolgedessen ist die Zuverlässigkeit der Halbleitereinrichtungen herabgesetzt und die Produktivität davon ist verringert.

Um das Aufladungsphänomen zu verhindern, gibt es ein bekanntes Verfahren, bei dem ein Elektronenstrahl auf das Substrat aufgestrahlt wird oder ein Ionenstrahl unter Verwendung einer Elektronenflachkanone (EFG).

Figur 1 zeigt einen Querschnitt einer herkömmlichen Ionenimplantationsvorrichtung. Ein Ionenstrahl 51, der von einer (nicht dargestellten) Ionenquelle austritt, wird beschleunigt und dann in ein Halbleitersubstrat 53 implantiert, welches auf einer Scheibe 52 angebracht ist. In der genannten Zeichnung bezeichnet ein Bezugszeichen 54 eine Elektronenflachkanone (EFG) zum Verhindern einer Erzeugung einer positiven Aufladung auf der Oberfläche des Substrats 53 durch den Ionenstrahl 51. In der Elektronenflachkanone 54 werden Primärelektronen, die aus einem Wolfram- (W) Draht 55 erzeugt werden, beschleunigt, kollidieren dann mit einem Target 57, so daß Sekundärelektronen 58 von dem Target 57 erzeugt werden. Dann werden die Sekundärelektronen 58 auf das Substrat 53 eingeführt, so daß eine positive elektrische Ladung, die sich auf dem Substrat 53 angesammelt hat, neutralisiert wird. Der Betrag des auf das Substrat 53 aufgestrahlten Sekundärelektronenstrahls kann durch Überwachung des Flusses der Sekundärelektronen 58 an die Scheibe 52 erfaßt werden und ferner durch sich ändernde Werte der zur Erzeugung der Sekundärelektronen 58 angewendeten Spannung 59 gesteuert werden.

Da sich allerdings der Grad einer Aufladung mit Bedingungen der Oberflächenstruktur des Substrats 53 verändert, ist es sehr schwierig, den Aufstrahlungsbetrag des von der EFG bereitgestellten Elektronenstrahls 56 am geeignetsten einzustellen, um alle Oberflächenbedingungen des Substrats 53 zu erfüllen. Wenn beispielsweise der Betrag der Aufstrahlung des Elektronenstrahls 56 einen Betrag übersteigt, der nur dem Betrag einer Aufladung entspricht, dann wird die Oberfläche des Substrats 53 negativ geladen. Ferner ist im Fall einer Halbleitereinrichtung vom CMOS-Typ der Betrag des P- Kanalabschnitts davon zu demjenigen des N-Kanalabschnitts unterschiedlich. Deshalb ist es unmöglich, das Aufladungsphänomen, welches auf beiden Kanalseiten erzeugt wird, gleichzeitig durch das herkömmliche Verfahren zu vermeiden.

Andererseits ist es zur Vermeidung des Aufladungseffekts auch vorstellbar, den Betrag des Jonenstrahls ohne Verwendung der EFG zu reduzieren oder den Betrag pro vorgegebener Periode durch Verkleinern des Tastverhältnisses wesentlich zu reduzieren. Wenn allerdings die Dosis des Ionenstrahls relativ groß ist, wird der Durchsatz der Jonenimplantation unweigerlich verschlechtert. Demzufolge sind diese Verfahren auch nicht so effektiv, um das Problem zu lösen.

Figur 2 zeigt einen Querschnitt eines Halbleitersubstrats 64 zum Erfassen einer durch die voranstehend bezeichnete herkömmliche Ionenimplantation verursachte elektrische Beschädigung.

Bei der Herstellung des Halbleitersubstrats 64 wird zunächst ein SiO&sub2;-Film 62 mit einer Dicke von 20 nm auf einem P-Typ Silizium- (Si) Substrat 61 gebildet, dann wird ein Phosphor- Diffusions-Polysiliziumfilm (Poly Si) 63 mit einer Dicke von 400 nm auf dem SiO&sub2;-Film 62 gebildet. Danach wird das Poly-Si 63 durch das CDE-Verfahren (chemisches Trockenätzen) verarbeitet, um so die Substratzusammensetzung nicht zu beschädigen. Dann wird das verarbeitete Material ungefähr 60 Minuten lang in einer N&sub2;-Gasatmosphäre bei 900ºC getempert, um so das Halbleitersubstrat 64 zu erhalten.

Figur 3 ist ein Diagramm zur Darstellung des Zusammenhangs zwischen einer Ausfallrate, die sich auf eine Isolationseigenschaft bezieht, und einem angewendeten elektrischen Feld in bezug auf das Substrat 64, welches einer herkömmlichen Ionenimplantation mit hoher Dosis ausgesetzt ist. In dem Diagramm zeigt die horizontale Achse das an das Poly-Si 61 angelegte elektrische Feld (wobei dem Si-Substrat 61 die Massespannung gegeben wird) und die vertikale Achse zeigt die Ausfallrate davon.

Wie man deutlich aus der genannten Zeichnung erkennen kann, wenn die EFG für die Ionenimplantation nicht verwendet wird, dann wird der Isolationswiderstand irgendeines sich ergebenden Substrats 64 unter der Bedingung zerstört, daß das elektrische Feld kleiner als 1 MV/cm ist. Die Ausfallrate davon ist durch den schraffierten Abschnitt gezeigt, der in Figur 3 mit dem Bezugszeichen 71 bezeichnet ist.

Wenn andererseits der Strom der EFG in dem vorgegebenen Bereich für die Ionenimplantation verwendet wird, wird die Ausfallrate des sich ergebenden Isolationswiderstands in einer Größe wie diejenige des normalen SiO&sub2;-Films erhalten (siehe 8,5 bis 9,5 MV/cm, was durch den schraffierten Bereich in Figur 3 angezeigt ist).

Wenn aber der Strom der EFG in einem größeren Bereich als in dem vorgegebenen Strombereich liegt, dann ist die Rate des sich ergebenden Isolationswiderstands des Substrats kleiner als 1 MV/cm. Der Strom der EFG ist nämlich so hoch, daß der Betrag der durch sie erzeugten Elektronen groß ist.

Der geeignete Bereich des auf die EFG angewendeten Stroms hängt von der Struktur des Halbleitersubstrats ab oder die Existenz der Fotolackschicht auf dem Substrat kann bestimmt werden.

Wenn der an die EFG angelegte Strombereich schmal ist, dann wird die Aufladung auf der Oberfläche des Substrats an einem Abschnitt auf dem Substrat geschützt, aber sie kann an einem anderen Abschnitt nicht geschützt werden. Da der durch die EFG erzeugte Elektronenbetrag nicht so vollständig ist, daß er die positive elektrische Ladung auf der Oberfläche des Substrats neutralisiert oder nicht fehlt, um ihn zu löschen, wird in diesen Fällen das Substrat mit der positiven elektrischen Ladung in dem positiven Zustand oder mit dem Elektron in dem negativen Zustand geladen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin,

- ein Verfahren zum Entfernen oder Verhindern einer Erzeugung von elektrischer Ladung, die an ein Halbleitersubstrat bei der Jonenimplantation angewendet wird, durch Verhindern einer Erzeugung des Aufladungsphänomens ohne den Abfall des Durchsatzes des Prozesses und einer Beschädigung des Substrats bereitzustellen.

Gemäß der Erfindung ist das eingangs definierte Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronen in einem Strahl mit einer Beschleunigungsspannung im Bereich von 1 bis 50 KeV beschleunigt werden; und die elektrische Ladung von dem Substrat durch einen elektrischen Strom, der durch den Elektronenstrahl induziert wird, beseitigt wird.

Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich weiter aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 einen Querschnitt zur Darstellung eines Aufbaus einer herkömmlichen Ionenimplantationsvorrichtung;

Figur 2 einen Querschnitt eines Halbleitersubstrats, welches für einen Isolationstest verwendet werden soll;

Figur 3 ein Diagramm, welches die Ausfallrate einer Isolationseigenschaft für eine herkömmliche Ionenimplantation zeigt;

Figur 4 einen Querschnitt zur Darstellung des Aufbaus einer Ionenimplantationsvorrichtung, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;

Figuren 5 und 6 Querschnitte eines Wafers, der einen Elektronenstrahl-induzierten Strom (EBIC) zeigt; und

Figur 7 einen Querschnitt zur Darstellung eines Aufbaus einer Ionenimplantationsvorrichtung, die eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.

Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.

Figur 4 ist ein schematischer Querschnitt einer Ionenimplantationsvorrichtung, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.

In der genannten Zeichnung zeigt ein Bezugszeichen 14 eine Elektronenerzeugungsquelle und 16 bezeichnet ein Gitter zum Beschleunigen der Elektronen und zum Steuern einer Energie eines Elektronenstrahls 15.

Überdies wird der Elektronenstrahl 15 durch Einstellen eines Betrags eines elektrischen Stroms gesteuert, der in einem W (Wolfram) Draht (nicht gezeigt) in der Elektronenerzeugungsquelle 14 fließt. Während ein Bezugszeichen 11 einen Ionenstrahl bezeichnet, ist 12 eine drehbare Scheibe und 13 zeigt ein Halbleitersubstrat. Die Ionenimplantationsvorrichtung dieser Ausführungsform ist im wesentlichen aus den voranstehend erwähnten Teilen aufgebaut, so daß der beschleunigte Elektronenstrahl 15 auf das Substrat 13 auf der Scheibe 12 eingeführt wird, welches sich an einer mit B bezeichneten Position befindet.

Als nächstes wird der Betrieb der Ionenimplantationsvorrichtung erläutert.

Der von einer (nicht dargestellten) Ionenquelle erzeugte Ionenstrahl 11 wird beschleunigt und auf das Substrat 13, welches sich an einer mit A bezeichneten Position befindet, eingeführt. Da die Scheibe 12 während des Betriebs gedreht wird, wird das Substrat 13 mit dem Ionenstrahl 11 eines nach dem anderen bei vorgegebenen Intervallen bestrahlt. Dann wird das Substrat 13, in das von dem Ionenstrahl 11 Ionen implantiert sind, sukzessive dürch die Drehung der Scheibe 12 an die Position B bewegt. Danach wird das Substrat 13 mit dem hochbeschleunigten Elektronenstrahl 15 bestrahlt. Die Stromdichte des Elektronenstrahls 15 hängt von der Dosis der Jonenimplantation und der Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe 12 ab, jedoch wird der Wert so eingestellt, daß er ungefähr ein Faktor 1/5 bis 1/10 im Vergleich mit der Stromdichte auf Grundlage der in das Substrat 13 zu implantierenden Ionen ist. Überdies wird im Fall einer Einstellung der Energie zur Beschleunigung der Elektronen, sie allgemein in geeigneter Weise in dem Bereich von ungefähr 1 bis 50 keV eingestellt werden, obwohl es erforderlich ist, die Oberflächenstruktur des Substrats 13 zu berücksichtigen,

Figur 5 ist ein Querschnitt, der schematisch ein Aufladungsphänomen in der Oberfläche eines Halbleitersubstrats 21 mit einer typischen DRAM-Struktur zeigt. Wie in der genannten Zeichnung gezeigt, umfaßt die DRAM-Struktur ein Si-Substrat 21, einen Isolationsfilm 22 (SiO&sub2;), eine Polysiliziumelektrode 23 zum Ansammeln von Elektronen, eine andere Polysiliziumelektrode 24 eines Transistors zum Auslesen und ein LDD-Abstandsteil 25 (aus SiO&sub2;, welches durch CVD gebildet ist) Ferner zeigen 26 und 27 einen Source-Bereich und einen Drain-Bereich des Transistors und jeder dieser Bereiche wird durch eine Ionenimplantation mit einer hohen Dosis gebildet.

Figur 6 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Abschnitts, der in Figur 5 gezeigt ist und der mit dem Ionenstrahl bestrahlt worden ist.

In einem derartigen Fall wird ein Bereich (gewöhnlicherweise mit einem Durchmesser von 30 bis 50 nm), der mit dem Ionenstrahl bestrahlt ist, positiv durch eine positive elektrische Ladung 28 (mit dem Zeichen "+" bezeichnet) aufgeladen. Dann wird ein hochbeschleunigter Elektronenstrahl 29 auf den positiv aufgeladenen Bereich aufgestrahlt. Danach werden die positiven elektrischen Ladungen 28 in Richtung auf das Substrat 21 hin mit einem Elektronenstrahl 29 eingeleitet. Infolgedessen wird der durch den Elektronenstrahl verursachte Strom (EBIC) erzeugt, um so die positiven elektrischen Ladungen 28 in der Oberfläche des Halbleitersubstrats 21 zu entfernen.

In dieser Ausführungsform werden als die Ionen Arsen- (As) Ionen unter einer Beschleunigungsspannung von 50 keV beschleunigt, um so den Ionenstrahl zu erzeugen. Ferner ist die Dosis des Ionenstrahls auf 1 x 10¹&sup6; cm&supmin;² eingestellt und der Strahldurchmesser davon wird gesteuert, so daß er unter einem Stromwert von 5 mA 30 mm ist. Andererseits ist die Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls 29 unter einem Stromwert von 50 uA auf 50 keV eingestellt.

Nachdem die Ionenimplantation unter den voranstehend erwähnten Bedingungen abgeschlossen ist, wird das Substrat über eine Dauer von 30 Minuten bei 900ºC in einer N&sub2;- Atmosphäre getempert. Dann wird das sich ergebende Substrat bezüglich des SiO&sub2;-Films 22 einem Isolationstest unterzogen. Als Ergebnis kann der anfängliche Ausfallmodus (A-Modus), der in Figur 3 mit 71 bezeichnet ist, eliminiert werden.

Überdies zeigt Figur 4 ein Verfahren zum Bestrahlen des Substrats 13 getrennt mit einem hochbeschleunigten Elektronenstrahl 15 und einem hochbeschleunigten Ionenstrahl. Andererseits und wie in Figur 7 gezeigt ist es auch möglich, diese Strahlen (den Elektronenstrahl 15 und den Ionenstrahl 11) gleichzeitig auf im wesentlichen die gleichen Abschnitte aufzustrahlen. Wie nämlich in Figur 7 gezeigt, kann ein Elektronenstrahl 42 mit einem Ionenstrahl 41 zusammengebracht werden, indem der Elektronenstrahl 42 durch Verwendung eines (nicht gezeigten) benötigten magnetischen Feldes abgebogen wird.

Ferner werden in beiden Ausführungsformen, die jeweils in den Figuren 4 und 7 gezeigt sind, die Betriebsvorgänge zum Aufstrahlen des Ionenstrahls und des Elektronenstrahls unabhängig voneinander ausgeführt. Allerdings ist es auch möglich, beide Betriebsvorgänge (das Aufstrahlen des Ionenstrahls und des Elektronenstrahls) synchron zueinander vorzunehmen.

Da wie voranstehend erwähnt der hochbeschleunigte Elektronenstrahl auf die Oberfläche des Substrats bei der Ionenimplantation aufgestrahlt wird, wird auf dem Substrat durch den Elektronenstrahl ein elektrischer Strom erzeugt, so daß eine Elektronenladung, die auf der Oberfläche des Substrats angesammelt worden ist oder angesammelt werden soll, durch den elektrischen Strom beseitigt oder entfernt.

Demzufolge kann die Zerstörung des Isolationsfilms in einer Halbleitereinrichtung, verursacht durch eine elektrische Spannung, vermieden werden, so daß der Durchsatz bei der Produktion der Einrichtung verbessert werden kann und ferner eine dafür erforderliche hohe Zuverlässigkeit garantiert werden kann.


Anspruch[de]

1. Verfahren zum Entfernen einer elektrischen Ladung (28), die bei einer Ionenimplantation auf einem Halbleitersubstrat (21) angesammelt ist, umfassend die folgenden Schritte:

Implantieren von Ionen durch Aufstrahlen eines Ionenstrahls (11) auf das Halbleitersubstrat (21), um so eine Verunreinigungsschicht darin zu bilden; und

Bestrahlen eines vorgegebenen Abschnitts des Halbleitersubstrats mit Elektronen (15);

dadurch gekennzeichnet, daß:

die Elektronen in einem Strahl (15) mit einer Beschleunigungsspannung im Bereich von 1 bis 50 KeV erzeugt werden; und die elektrische Ladung (28) durch einen elektrischen Strom beseitigt wird, der durch den Elektronenstrahl (15) verursacht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der beschleunigte Elektronenstrahl (42) mit dem Ionenstrahl (41) kombiniert und auf einen vorgegebenen Abschnitt des Halbleitersubstrats (21) zusammen mit dem Ionenstrahl (41) aufgestrahlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der beschleunigte Elektronenstrahl auf einen vorgegebenen Abschnitt des Halbleitersubstrats synchron mit dem Ionenstrahl aufgestrahlt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der beschleunigte Elektronenstrahl auf einen vorgegebenen Abschnitt des Halbleitersubstrats zu einer anderen Zeit als der Ionenstrahl aufgestrahlt wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdichte des Elektronenstrahls auf ungefähr einen Faktor von 1/5 bis 1/10 der Ionenstrahlstromdichte eingestellt ist.







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