Brevet FR2461351A1 — publié le 19810130

La présente invention concerne une source d'ions, et plus particulièrement une source d'ions à plasma U.H.F. qui convient pour des implanteurs à forte intensité. Les implanteurs peuvent être largement classés en deux catégories: du type à falble intensité Cde 10yA à moins d'lmA] et dutype à forte intensité C[ImA ou plus).La raison en est que les doses d'impuretés nécessaires sont différentes en fonction des dispositifs semi-conducteurs à fabriquer, et l'intervalle est aussi large que 101 à is 2 0 1I10 ions/cm.Comme les implanteurs de type à faible intensité sont plus faciles à fabriquer, la plupart des implanteurs en usage à ce jour sont du type à faible intensité.En conséquence, les domaines d'application des implanteurs sont limités à ceux o les doses sont compara- tivement faibles [par exemple, les canaux de transistors MOS et les bases de transistors bipolaires].Cependant, il a été récemment demandé de fabriquer des émetteurs de transistors bipolaires et des sources et drains de transis- tors MOS, o les doses sont importantes, par implantation d'ions.Les implanteurs de type à forte intensité sont exigés pour satisfaire à cette demande.Généralement, un implanteur est formé d'une source d'ions, d'un séparateur de masse, et d'une chambre à oible.Que l'implanteur soit du type à forte intensité ou du type à faîble intensité, cela dépend du comportement de la source ionique utilisée. Actuellement, il existe deux sortes d'appareils capables d'implantation de l'ordre de lmA.L'un de ces appareils est un appareil qui utilise une source ionique de type à filament thermoionique, o la décharge en arc à basse tension est provoquée par des électrons thermiques prove- nant d'un filament parallèle à une fente d'extraction ionique, et les ions sont extraits sous forme d'un faisceau fendu à partir du plasma fabriqué par la décharge; l'autre appareil est un appareil qui utilise une source d'ions plasma U.H.F., décrite ci-dessous en détails.Le premier appareil a été présenté, par exemple, dans "The PR-30 Ion Implantation System" au 14ème Symposium sur Electron, Ion and Photo Beam Technology, en mai 1977, tandis que le deuxième appareil est décrit dans le brevet US 4.058.748 publié le 15 novembre 1977.On va comparer maintenant les sources ioniques de ces deux types.La durée d'utilisation de la première est déterminée par la durée de vie du filament utilisé, et est d'ordinaire de plusieurs heures à 10 ou 15 heures.Au contraire, la deuxième présente une très longue durée d'utilisation parcequ'-elle ne comporte pas de parties consumables, comme la cathode de la première. Cependant, quand du gaz PH3 [ions P), du gaz AsH3 [ions As] ou analogues est utilisé comme gaz à ioniser, le phosphore ou l'arsenic se dépose peu à peu sur les parties superficielles des électrodes, puisque ces dernières sont en contact avec la chambre de décharge.Ces dépôts obturent la sortie du faisceau ionique, ce qui provoque une décharge anormale à l'intérieur de la chambre.Le faisceau ionique devient donc instable après 10 à 20 heures de fonctionnement, ce qui est un gros inconvénient. La présente invention a donc pour but de proposer une source d'ions plasma U.H.F. qui convient pour des implan- teurs et grâce à laquelle on peut obtenir un faisceau ionique à courant élevé stable pendant longtemps. Pour réaliser ce but, l'invention se propose d'adopter S25 la construction suivante: l'électrode en contact avec la chambre de décharge est divisée en deux parties, une par- tie superficielle sensiblement exposée au plasma, et une partie restante non exposée, ces deux parties étant maintenues en contact électrique l'une avec l'autre. Grâce à cette construction, la température de la partie superficielle exposée à la chambre de décharge peut être maintenue élevée de sorte que le produit de dissociation du gaz de décharge ne se dépose pas sur elle. L'invention est fondée sur le principe suivant.Consi- dérons un objet divisé en deux parties A et B qui sont elles mêmes mises en contact dans leurs positions origina- les respectives.Macroscopiquement, les deux parties A et B 246 135 1 semblent Former l'objet original unique.Cependant, au microscope, les deux parties A et B sont simplement en contact sur un grand nombre de points.Par conséquent, quand, par exemple, seule la partie A est chauffée, la quantité de chaleur transmise de cette partie A à la par- tie B par conduction thermique est trés falible.La raison en est que la partie A et la partie B sont simplement en contact en un grand nombre de points, de sorte que la résistance à la chaleur entre elles soit beaucoup plus élevée qu'à l'intérieur de l'objet unique original.En conséquence, le transfert de chaleur de la partie A à la partie B est trés limité, et la température de la partie A peut être maintenue élevée. Dans cette invention, la partie superficielle de l'électrode en contact avec la chambre à décharge est isolée de façon thermique de l'autre partie en divisant l'électrode, tout en maintenant toujours sa fonction d'électrode parcequ'elle est en contact électrique avec l'autre partie. Grâce à cette construction caractéristique de l'invention, la partie superficielle de l'électrode en contact avec la chambre de décharge peut être maintenue à une haute température durant le fonctionnement, de sorte que même si du gaz PH3 ou du gaz AsH3 est utilisé comme gaz à ioniser, seules de petites quantités négligeables de P ou d'As se déposent sur la partie en surface de l'élec- trode.Il est donc possible d'obtenir un faisceau ionique à forte intensité stable pendant longtemps.Un implanteur qui utilise ce type de source ionique à plasma U.H.F. continue aujourd'hui à alimenter un faisceau ionique à forte intensité stable aprés plus de 200 heures de fonc- tionnement. La figure 1 est un diagramme schématique d'un implan- teur utilisant une source d'ions à plasma U.H.F., La figure 2 est une vue en coupe faite en X-X' de la source ionique de la figure 1, La figure 3 est une vue en coupe des parties essen- tielles d'une source ionique classique, La figure 4 est une vue en coupe des parties importantes d'une source ionique selon l'invention, et La figure 5 est une vue de face d'une partie 19B de la figure 4. En se référant aux dessins, la figure I montre donc une vue explicative schématique d'un implanteur à forte intensité qui utilise comme source ionique une source ionique à plasma en micro-ondes.Les micro-ondes produites par un générateur I [un magnétron à 2,45 GHz et 600 W] se propagent vers un guide d'ondes à arêtes 4 via un guide d'ondes parallélépipédique 2, et se propa- gent de celui-ci vers la chambre de décharge 6 via un diélectrique hermétique 5 [porcelaine alumineuse].Un champ électrique d'hyperfréquences est établi entre les électrodes à bords relevés 7 et 7 formant la chambre à décharge 6.Ces surfaces des électrodes à bords relevés qui font face à la chambre 6 sont réparties de façon sensiblement parallèle.Comme on peut le voir sur la figure 2 prise en X-X' de la figure 1, les parties autres que l'espace défini par les électrodes opposées à bords relevés 7 et 7 sont remplies de diélectriques [nitrure de bore] en 8 et 8 pour délimiter une région de production de plasma. C'est à dire qu'entre les deux paires de parois de la chambre 6 parallèles à la direction de l'extraction ionique, une paire de parois est formée par les électrodes 7 et 7, et l'autre paire est formée par les diélectriques 8 et 8.0e plus, la chambre 6 est entourée d'un boitier diélectrique 9 [en nitrure de bore] pour empêcher l'élément métallique formant les électrodes-7 et 7 de se mélanger dans la chambre et isoler de façon thermi- que cette dernière de ses alentours.Sur la figure 2, la chambre de décharge 6 est formée de telle sorte que le pourtour de la section perpendiculaire à la direction de l'extraction du faisceau ionique ait la forme d'un rectangle allongé dont les dimensions [Smm x 44mm] sont un peu plus grandes que celles (2mm x 40mm] du système 10 d'électrode d'extraction ionique. Du gaz PH3 est introduit par un orifice [non représen- té)] dans la chambre 6[o la pression après introduction de ce gaz est de 6,08 x 10- atm.], et un champ magnéti- que de 1000 cgs qui agit sur le champ magnétique d'hyperfréquencesest produit par une bobine 11.Ensuite, le plasma est produit à l'intérieur de la chambre 6.Des ions sont extraits par le système électrode d'extraction à partir du plasma produit dans la chambre 6.Cette dernière est maintenue à une pression prédéterminée [760 x 10-6 atm.] par un système à vide 1a. En outre, une bride d'arrêt 3 est utilisée pour donner une isolation à courant continu entre le générateur d'hyperfréquences I et la source ionique. Le faisceau ionique, comprenant des ions P P, P, PH, etc... tels qu'ils sont extraits par l'électrode est soumis à une séparation de masse par un séparateur 33[angle de déviation 60 , rayon de 40cm, et champ magné- + tique de 9500 cgs], et seuls les ions P sont introduits dans la chambre à cible ionique 14.Le faisceau d'ions P [intensité d'implantation = 3mA) introduit dans la chambre 14 illumine des tranches semi-conductrices 16 [7,aacm de diamètre chacune) par l'intermédiaire d'un système de fente 15. 11 existe E4 tranches 16 montées sur la surface extérieure du tambour 17 [40cm de rayon)]. Le tambour 17 tourne à une vitesse fixe [15 tours/minute) dans une direction orthogonale à la direction d'éclairage du faisceau ionique, et se déplace aussi d'arrière en avant dans la direction de son propre axe. Cela sert à éviter la surchauffe des tranches par le faisceau ioni- que à forte intensité.La figure 4 montre une vue en coupe étalée d'une partie de la chambre à décharge 6 et du sys- tème à électrode d'extraction 10 de la figure I selon l'invention.Comme on l'a déjà expliqué en se référant à la figure 1, la chambre à décharge 6 est isolée de l'électrode striée 7 et 7, etdes autres parties alentours au moyen du boitier diélectrique 9 [en nitrure de bore]. Le système à électrode d'extraction ionique 10 de la fi- 246135 1 gure I comprend une électrode positive 19 C[50KV], une électrode négative a0 C-aKV] et une électrode a1 reliée au sol [OV].Les électrodes clivées 7, 7 et l'électrode positive 19 sont isolées par un diélectrique 18 [en nitrure de bore].Dans le système 10 à électrode d'extrac- tion ionique, l'électrode positive 19 en contact avec la chambre à décharge 6 se compose d'une partie 19A et d'une partie 19B [dont la vue de face est représentée sur la fi- gure 5].La raison en est la suivante.Il existe un écran ionique entre le plasma produit dans la chambre à décharge 6 et la surface de la paroi interne du boitier à décharge 9 déterminant la chambre 6 et entre le plasma et la sur- face de la paroi interne de la partie 196 de l'électrode 19 qui se trouve sur le cÈté de la chambre 6, de sorte que le plasma présente une tensiontampon Chabituellement de plusieurs volts à plusieurs dizaines de volts] par rapport à ces surfaces.En conséquence, les ions qui présentent une énergie équivalente à la tension-tampon heurtent toujours ces surfaces et les chauffent avec O20 leurs énergies thermiques.Cependant, comme l'électrode positive 19 est divisée en deux parties 19A et 19B, seule la température de la partie 196 s'élève, et l'élévation de la température de la partie 19A est très légère.Le même phénomène s'applique entre le boitier diélectrique 9 et les électrodes clivées 7, 7, et les autres parties environnantes.C'est à dire que toutes les surfaces des parois qui entourent le plasma sont isolées de fagon thermique des parties avoisinantes.En consé- quence, les surfaces des parois autour du plasma restent très chaudes, de sorte que même si du gaz PH3 ou du gaz AsH3 est utilisé comme gaz à ioniser, le phosphore ou l'arsenic ne peut pas se déposer sur la surface de la paroi de la partie 19B.On a réalisé une expérience en utilisant de l'acier inoxydable comme composant de l'électrode pour les deux parties 19A et 198.11 existe un dépôt très menu, mais aussi une certaine déformation que l'on considère comme une déformation thermique. 24 6 1 3 5 1 Ensuite, on utilise comme substance de la partie 19B du carbone.On obtient presque aucune déformation et de bons résultats. La partie 19B de ce mode de réalisation a 50mmxl0mm de surface et 2mm d'épaisseur.O'autre part, dans la construction classique représentée sur la figure 3, l'électrode 19' [en acier inoxydable] présentait une structure unitaire.Or une structure unitaire provoque une conduction de chaleur très élevée.En conséquence, la température des surfaces des parois faisant face au plasma ne s'élevait pas, entraînant un dépôt de P ou d'As.La durée d'utilisation de cette source ionique était donc sensiblement réduite. Sur la figure 4, les parties 19A et 19B qui forment l'électrode positive 19 sont en contact électrique.En conséquence, la plus souhaitable structure d'assemblage est celle o la partie 19B est maintenue entre le diélec- trique 18 ainsi que le boitier diélectrique 9 et la partie 19A. PO Dans le mode de réalisation précédent, la connexion électrique entre les parties 19A et 19B est réalisée par contact mutuel.Cependant, on peut adopter d'autres moyens de connexions élextriques.Bref, la présente inven- tion réalise une isolation thermique en divisant l'élec- Z5 trode et en mettant les deux pièces ainsi formées en con- tact l'une avec l'autre. En outre, le procédé de division n'est pas forcément limité à celui du mode de réalisation précédent, et il est possible d'utiliser un autre procédé. Enfin, l'invention n'est pas limitée à des sources ioniques à plasma U.H. F., mais peut s'appliquer à toutes les autres sources d'ions o une électrode destinée à dévier des ions du plasma fait face à ce dernier. Compte tenu de ce qui précède, les sources d'ions selon l'invention peuvent produire un faisceau ionique à forte intensité stable pendant longtemps, ce qui a augmente la valeur industrielle de l'invention. 2 4 6 1 3 5 1 REVENDICATIONS 1 - Source d'ions à plasma micro-ondes, caractérisée en ce qu'elle comporte une chambre à décharge [6), des moyens [13 pour produire du plasma de décharge micro-ondes à l'intérieur de la chambre à décharge, et un système [10) à électrode d'extraction ionique pour extraire les ions du plasma à décharge, cedit système (10] comprenant une électrode (19) en contact avec la chambre à décharge et divisée en une partie C19A] sensiblement exposée au plasma et une autre partie C19B] non exposée, ces deux parties C19A et 19B) étant en contact électrique l'une avec l'autre. 2 - Source d'ions selon la revendication 1, caracté- risée en ce que les deux parties C19A et 196] qui constituent l'électrode C19) sont faites en une matière identique. 3 - Source d'ions selon la revendication Z-, caracté- risée en ce que la matière à électrode qui forme les deux parties [19A et 198] est de l'acier inoxydable. zo 4 - Source d'ions selon la revendication 1, caracté- risée en ce que les deux parties [19A et 19S) qui constituent l'électrode [193 sont faites en des matières différentes. - Source d'ions selon la revendication 4, caracté- risée en ce que la matière qui forme ladite partie exposée au plasma est du carbone, tandis que la matière qui forme l'autre partie non exposée est en acier inoxy- dable.