Brevet FR2560426A1 — publié le 19850830

Dispositif de production d'ions d'une espe- ce déterminée utilisant pour les séparer d'autres ions, une sélection en énergie, application à l'im- plantation ionique. La présente invention concerne un disposi- tif de production d'ions d'une espèce déterminée, uti- lisant pour les séparer d'autres ions, une sélection en énergie. Elle s'applique notamment à l'implantation ionique. On sait que l'implantation ionique permet d'introduire des "impuretés" dans un substrat de façon très sélective, c'est-à-dire en séparant de façon très précise ces impuretés" d'autres particules sans inté- rêt, voire gênantes, pour l'implantation à réaliser. Pour ce faire, on utilise des dispositifs de sélection isotopique de masse qui permettent par exemple d'ex- traire des ions ilB+, qui sont ensuite envoyés sur le substrat à doper, d'un faisceau comprenant, outre les ions précédents, des ions parasites ou inintéressants tels que F+, N+, O', H+... Ces dispositifs comportent des aimants de déflexion qui impliquent généralement pour ces dispo- sitifs les inconvénients suivants: leur consommation de puissance électrique est élevée, ils occupent une place importante, ont une structure "multipotentielsn et nécessitent des systèmes de tranfert d'énergie électrique (transformateurs d'isolement, boucles de fluides caloporteurs électriquement isolants) ainsi que des systèmes de télécommande et de télétransmis- sion. Par ailleurs, pour implanter des ions lB+, il est connu d'utiliser une source d'ions qui est ali- mentée en BF3 et de laquelle on extrait un faisceau d'ions tels que 10B+, B, 1B BF+, 1BF 1 0 BF+, BF2+. On sélectionne alors généralement les ions 1B par séparation isotopique de masse. Cependant, dans certains cas particuliers, on préfère sélection- ner les ions l1BF2+ pour les raisons suivantes: - ils contiennent bien entendu du bore, - l'énergie de l'atome ilB présent dans l'ion molécu- laire 11BF2+ n'est que de l'ordre du cinquième de l'énergie de cet ion moléculaire, ce qui permet de réaliser aisément des implantations dans lesquelles l'énergie de l'atome lB est très faible, et - contrairement à l'implantation d'ions B+, l'implan- tation de BF2+ dans un substrat en silicium peut rendre celui-ci amorphe, ce qui permet un recuit plus efficace de ce substrat. Mais cette utilisation d'ions BF2+ pose un problème pratiquement insoluble car, par interaction avec d'autres particules, par exemple les molécules du vide résiduel dans l'implanteur d'ions, même lorsque ce vide est de l'ordre de 104Pa, ces ions BF2+ se décomposent facilement suivant une réaction du type BF±- B+ + X o X peut représenter F2, F, F... En effet, la sec- tion efficace de la réaction ci-dessus est très éle- vée, de l'ordre de 10 15cm2. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients mentionnés plus haut, en proposant un dispositif de production d'ions d'une espèce déter- minée, qui utilise pour les séparer d'autres ions, une sélection en énergie et dans lequel on cherche à pro- voquer une réaction de décomposition du genre de celle qui est considérée plus haut, contrairement à ce que l'on fait dans l'art antérieur. De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif de production d'ions d'une espèce déterminée, caractérisé en ce qu'il comprend: - des moyens-source, prévus pour créer un faisceau d'ions isoénergétiques comprenant des ions qui con- tiennent l'espèce déterminée et sont aptes à se dé- composer en donnant des ions constitués de l'espèce déterminée sous forme ionisée, - des moyens de décomposition, prévus pour interagir préférentiellement avec les ions contenant l'espèce déterminée et décomposer ceux-ci en faisant apparai- tre les ions constitués de l'espèce déterminée sous forme ionisée, et des moyens séparateurs, prévus pour effectuer une séparation énergétique entre les ions constitués de l'espèce déterminée sous forme ionisée et le reste du faisceau. A titre explicatif et nullement limitatif, l'espèce déterminée est le bore et les ions contenant cette espèce sont les ions BF+2. La présente invention présente, par rapport à l'art antérieur, les avantages suivants: - au lieu d'une sélection isotopique de mas- se, elle utilise une sélection énergétique, aisément réalisable par exemple à l'aide de filtres électrosta- tiques qui ne consomment que peu d'énergie électrique et n'ont qu'un faible encombrement, - elle peut permettre de réaliser un flux d'ions de basse énergie et également un faisceau de particules de plus grande énergie, ce qui est très intéressant pour l'implantation ionique dans le domai- ne de l'intégration à très grande échelle (VLSI) et - dans le cas de l'implantation de bore, elle permet de réaliser un gain de courant utilisable car le pic correspondant à BF2+ dans le spectre d'un grand nombre de sources d'ions est le plus intense, le faisceau B+ séparé suivant la présente invention et provenant des ions BF2+ étant donc plus intense que le faisceau d'ions B+ directement extrait de la source. Selon un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, les moyens de décom- position comprennent un gaz à basse pression ou un plasma, contenu dans un domaine traversé par le fais- ceau d'ions. Le gaz est par exemple de l'argon et par "basse pression", on entend une pression de l'ordre de quelques centièmes à quelques dixièmes de pascal. Selon un autre mode de réalisation particu- lier, les moyens de décomposition comprennent un flux de particules, dirigé vers le faisceau d'ions. Par "particules", on entend dans le cas présent des ato- mes, des molécules, des ions (négatifs ou positifs), des électrons ou des photons (par exemple des photons ultraviolets, X ou y). Selon un autre mode de réalisation particu- lier, les moyens séparateurs comprennent au moins un filtre électrostatique. Enfin, selon un autre mode de réalisation particulier, les moyens séparateurs comprennent au moins un filtre à champs électrique et magnétique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels les figures 1 à 6 sont des vues schématiques de modes de réalisa- tion particuliers du dispositif objet de l'invention, dans lesquels on utilise respectivement en tant que moyens de décomposition un gaz, un plasma, un flux de photons X ou y, un flux lumineux, un faisceau d'élec- trons et un faisceau d'ions. Sur la figure 1, on a représenté schémati- quement un mode de réalisation particulier du disposi- tif objet de l'invention. Ce dispositif est placé dans une enceinte 2 dans laquelle on a fait le vide à l'ai- de de moyens de pompages non représentés, et comprend essentiellement des moyens-source 3, des moyens de dé- composition 4 et des moyens séparateurs 5 dont la structure et la fonction sont expliquées ci-après, en prenant l'exemple de la production d'ions B+. Les moyens-source 3 comprennent une source d'ions 6 connue dans l'état de la technique et alimen- tée en BF3 par un conduit 7, de manière à produire un faisceau 8 constitué d'ions B, d'ions BF2+ et de di- verses impuretés secondaires ionisées. Les moyens- source 3 comprennent également une électrode 9 prévue pour accélérer le faisceau 8 à sa sortie de la source 6. L'électrode 9 est percée d'une ouverture 9a pour permettre le passage de ce faisceau et portée à un potentiel négatif, par exemple de l'ordre de -25 kV, par rapport à la source d'ions 6, au moyen d'un géné- rateur de tension continue 10. Les moyens de décomposition 4 sont consti- tués par un gaz tel que l'argon, à une pression de l'ordre de quelques dixièmes de pascal, contenu dans une chambre 11 qui est alimentée en argon au moyen d'un conduit 12 et pourvue de deux ouvertures 13 et 14 situées en regard l'une de l'autre sur deux côtés op- posés de la chambre 11, ces deux ouvertures étant dis- posées de manière à se trouver sur la trajectoire du faisceau 8 à sa sortie de l'électrode 9, l'ouverture 9a de cette dernière étant ainsi alignée avec les ou- vertures 13 et 14 de la chambre 11. On choisit bien entendu les dimensions des ouvertures 13 et 14 pour que celles-ci soient traversables par le faisceau d'ions 8. A sa sortie de l'électrode d'accélération 9, ce faisceau d'ions 8 est pratiquement isoénergétique, les ions qui le composent étant pour la plupart sim- plement chargés et ayant ainsi une énergie E sensi- blement égale à 25 keV du fait du potentiel de l'élec- trode 9. Dans l'enceinte 11, les ions BF2 du fais- ceau 8 sont pratiquement les seuls à interagir avec les atomes d'argon, suivant la réaction de décomposi- tion rappelée ci-dessus, car la section efficace de décomposition des ions BF2+ est très grande, de l'or- dre de 10-15 cm2, alors que les sections efficaces concernant les collisions ions-atomes sont générale- ment de l'ordre de 1016 cm2. Il en résulte d'une part que les collisions des ions BF2+ sont des collisions à grands paramètres d'impacts, au cours desquelles il n'y a pour ainsi dire aucun transfert d'énergie ciné- tique aux atomes d'argon heurtés et d'autre part que pendant la traversée de la chambre 11, les particules du faisceau 8 autres que les ions BF2+, n'interagis- sent pratiquement pas avec les atomes d'argon, car les sections efficaces de collision de ces particules sont de l'ordre de 1016 cm2. Par conséquent, à la sortie de la chambre 11, le faisceau 8 comprend deux groupes d'ions: - un premier groupe formé d'ions B + qui résultent de la décomposition des ions BF2+ dans la chambre, ces +2 ions B ayant une énergie bien définie aE0, sensi- blement égale à 5 keV pour les ions 10B+ et 11B+, puisque le coefficient a est égal au rapport de la masse atomique de l'isotope du bore considéré, à la masse atomique du composé BF2 correspondant (48 ou 49), et vaut donc sensiblement 0,2, et - un second groupe constitué par les ions BF2 n'ayant pas interagi avec les atomes d'argon et conservant l'énergie E0, ainsi que par les ions B+ et les impu- retés secondaires ionisées, initialement présents dans le faisceau 8, qui ne subissent pratiquement pas de collisions avec les atomes d'argon et conser- vent également l'énergie E0, l'énergie aE0 étant donc essentiellement caractéristique des ions B+ résultant de la décomposition des ions BF2+. La longueur L de la chambre 11 peut être prise égale au libre parcours moyen relatif à la sec- tion efficace de décomposition des ions BF2 +, soit une longueur L de l'ordre de 3 à 30 cm. Les moyens séparateurs 5 sont placés à la suite de la chambre 11 et consistent en un filtre électrostatique constitué par deux plaques de défle- xion 15 et 16 électriquement conductrices, disposées de façon à permettre le passage entre elles du fais- ceau 8 à sa sortie de la chambre 11, l'une des plaques étant portée à une haute tension positive, l'autre à une haute tension négative. Le filtre électrostatique permet d'effec- tuer une séparation énergétique entre les ions du pre- mier groupe et les ions du second groupe. A la sortie de ce filtre, on obtient ainsi deux faisceaux: un premier faisceau 17 d'ions B +, d'énergie cE0, et un second faisceau 18 constitué par les autres particules du faisceau 8, d'énergie E0 (et donc moins déviées que les ions B+ d'énergie aE0). En toute rigueur, les ions 1OB+ et 11B+ n'ont pas exactement la même énergie (10E0/(10+2x19) pour les ions 10B+ et 11E0/(ll+2x19) pour les ions 11B) et sont donc séparés. En outre, à sa sortie de la chambre 11, le faisceau 8 comprend également des particules notées X dans la réaction rappelée plus haut. Parmi ces parti- cules notées X, certaines sont neutres et d'autres ionisées. A la sortie des moyens séparateurs, on ob- tient donc un autre faisceau 18a constitué par les particules notées X qui sont neutres et qui, n'intera- gissant donc pas avec les moyens séparateurs, poursui- vent leur chemin en ligne droite. Les particules no- tées X qui sont chargées donnent lieu, après traversée des moyens séparateurs, à des sous-faisceaux non re- présentés, correspondant chacun à une particule d'énergie donnée: c'est par exemple le cas des parti- cules F+ dont l'énergie est égale à 19E0/(ll+2xlg). Ces considérations sur les particules notées X sont bien entendu valables pour les figures 2 à 6. En ajoutant au dispositif selon l'invention une cible 19 disposée dans l'enceinte 2, sur la tra- jectoire du faisceau 17 d'ions B+, on obtient un im- planteur d'ions permettant d'implanter les ions B+ du faisceau 17 dans la cible 19 par exemple constituée par un circuit intégré. Si nécessaire, on peut accélé- rer les ions B+ du faisceau 17 préalablement à leur implantation, au moyen d'un champ électrique créé entre deux plaques 20 et 21 électriquement conductri- ces, disposées sur la trajectoire du faisceau 17, entre les moyens séparateurs 5 et la cible 19 et per- cées pour permettre le passage du faisceau 17 d'ions B, la première plaque 20 se trouvant sur le passage de ces ions étant portée à un potentiel électrique négatif par rapport à la plaque suivante 21. Le cas échéant, on pourrait bien entendu disposer une autre cible sur la trajectoire du second faisceau 18 pour implanter, éventuellement avec une accélération préalable, les ions de ce second faisceau dans l'autre cible. On peut éventuellement interposer des len- tilles électrostatiques de focalisation du faisceau 8, entre l'électrode 9 et la chambre 11. On peut par exemple réaliser ces lentilles électrostatique de fo- calisation à l'aide de trois électrodes 22, 23, 24 adjacentes et percées pour permettre le passage du faisceau 8, l'électrode 23 étant interposée entre les électrode 22 et 24 et portée à un potentiel négatif par rapport à celles-ci, au moyen de générateurs de tension 25 et 26. En outre, pour que les ions des faisceaux 8 et 17 ne soient pas soumis à des potentiels électri- ques flottants, on établit des liaisons électriques 27, 28 et 29 respectivement entre les électrodes 9 et 22, entre l'électrode 24 et la plaque 20 et entre la plaque 21 et la cible 19, cette dernière étant mise à la masse. Si l'on n'utilisait pas les lentilles de focalisation 22, 23, 24, les liaisons 27 et 28 se- raient remplacées par une liaison électrique entre la source d'ions 6 et la plaque 20. Sur la figure 2, on a représenté schémati- quement et partiellement un autre mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention dont la seule différence avec le mode de réalisation représen- té sur la figure 1 réside dans le fait que les moyens 4 de décomposition sont maintenant constitués par un plasma confiné par des moyens connus non représentés, dans une enceinte 30 qui est disposée et percée d'ou- vertures de la façon indiquée plus haut à propos de + l'enceinte 11. Les ions BF2 du faisceau 8 interagis- sent alors avec les particules du plasma pour donner des ions B+, les autres ions du faisceau 8 n'intera- gissant pratiquement pas avec le plasma. Sur la figure 3, on a représenté schémati- quement et partiellement un autre mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention dont la seule différence avec le mode de réalisation représen- té sur la figure 1 réside dans le fait que les moyens de décomposition 4 sont maintenant constitués par un flux de photons X ou y émis par un générateur appro- prié 31, ce flux étant envoyé, par exemple transversa- lement, sur une partie du faisceau 8 comprise entre les moyens séparateurs 5 et l'électrode 9 (ou les len- tilles électrostatiques 22, 23, 24 lorsqu'elles exis- tent). Comme précédemment, l'interaction des photons X ou y n'a pratiquement lieu qu'avec les ions BF2+ du faisceau 8 qui se décomposent alors pour donner des ions B. Sur la figure 4, on a représenté schémati- quement et partiellement un autre mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention dont la seule différence avec le mode de réalisation représen- té sur la figure 3 réside dans le fait que le flux de photons X ou y est remplacé par un flux 4 de photons du domaine visible ou ultraviolet, de longueur d'onde appropriée, émis par une source 32 munie d'une optique 33 et extérieure à l'enceinte 2, la lumière issue de la source 32 traversant alors ladite enceinte 2 par un hublot 34, pour arriver, transversalement, sur le faisceau 8 et n'interagir alors pratiquement qu'avec les ions BF2+ de ce faisceau 8. Sur la figure 5, on a représenté schémati- quement un autre mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention qui diffère seulement du mode de réalisation représenté sur la figure 1 par le fait que les moyens de décomposition 4 sont mainte- nant constitués par un faisceau d'électrons d'énergie convenable, n'interagissant pratiquement qu'avec les ions BF+ du faisceau 8 qui se décomposent alors en 2 + donnant des ions B+, et par le fait que les moyens séparateurs 5 sont constitués par un filtre 40 à champs électrique et magnétique. Le faisceau d'électrons 4 est émis par une source d'électrons 35 comportant un filament 36 émet- teur d'électrons lorsqu'il est chauffé à l'aide d'un générateur de courant 37, et une électrode percée 38, prévue pour être traversée par les électrons issus du filament 36. L'électrode 38 est portée à un potentiel électrique positif par rapport au filament 36, au moyen d'un générateur de tension continue 39, de ma- nière à accélérer les électrons issus du filament 36. La source 35 d'électrons est bien entendu orientée de façon à envoyer les électrons accélérés qu'elle pro- duit sur le faisceau d'ions -8, par exemple transversa- lement à celui-ci, sur une partie dudit faisceau com- prise entre les moyens séparateurs 5 et l'électrode 9 (ou les lentilles électrostatiques 22, 23, 24 lors- qu'elles existent). Les moyens séparateurs 5, constitués par un filtre 40 à champs électrique et magnétique, par exem- ple un filtre à champs croisés,sont disposés comme on l'a indiqué dans la description de la figure 1 à propos du filtre électrostatique 15, 16 et permettent encore de trier les ions du faisceau 8 pour séparer celui-ci en deux faisceaux 17 et 18 correspondant res- pectivement aux ions B+ résultant de la décomposition des ions BF2+ par le faisceau d'électrons 4 et au reste du faisceau 8 n'ayant pas interagi avec ce fais- ceau d'électrons. Certes, le filtre 40 comporte des moyens ma- gnétiques mais ceux-ci sont beaucoup moins complexes ou encombrants que les moyens magnétiques de sépara- tion isotopique de masse. Les liaisons électriques 27 et 29 décrites plus haut subsistent dans le dispositif représenté sur la figure 5 mais la liaison 28 est supprimée. Elle est remplacée par une liaison électrique 41 entre l'élec- trode 24 et l'électrode 38, et par une liaison élec- trique 42 entre l'électrode 38 et la plaque 20. Si l'on n'utilisait pas les lentilles de focalisation 22, 23, 24, les liaisons 27 et 41 seraient remplacées par une liaison électrique entre l'électrode 9 et l'élec- trode 38. Sur la figure 6, on a représenté schémati- quement et partiellement un autre mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, qui * diffère seulement du dispositif représenté sur la fi- gure 5 par le fait que les moyens de décomposition 4 sont maintenant constitués par un faisceau d'ions d'énergie convenable, qui n'interagissent pratique- ment qu'avec les ions BF2+ du faisceau 8 pour que ceux-ci se décomposent en donnant des. ions B+, et qui sont par exemple des ions He émis par une source d'ions 43 alimentée en hélium au moyen d'un conduit 44. Le faisceau d'ions He est accéléré à sa sortie de la source 43 par une électrode 45 percée pour permet- tre le passage des ions He+ et portée à un potentiel négatif par rapport à la source 43, au moyen d'un gé- nérateur de tension continue 46. Le faisceau d'ions He+ ainsi accéléré est envoyé, par exemple transversa- lement, sur une partie du faisceau 8 comprise entre les moyens séparateurs 5 et l'électrode 9 (ou les len- tilles 22, 23, 24 lorsqu'elles existent). Les liaisons électriques 27 et 29 représen- tées sur la figure 1 sont toujours présentent mais la liaison 28 est supprimée. Elle est remplacée par une liaison électrique 47 entre les électrodes 24 et 45 et par une liaison électrique 48 entre la source 43 et la plaque 20. Si l'on n'utilisait pas les lentilles de focalisation 22, 23, 24, les liaisons 27 et 48 se- raient remplacées par une liaison électrique entre l'électrode 9 et la source 43. Au lieu d'utiliser le composé BF3 pour réa- liser le faisceau 17 d'ions B+, on pourrait utiliser le composé BC13 qui, dans une source d'ions, fournit des ions BC12+ aptes à se décomposer, par exemple par interaction avec des atomes d'argon, pour donner les ions B+. En outre, l'utilisation du dispositif objet de l'invention n'est pas limitée à la production d'un faisceau d'ions B+: ce dispositif permet d'obtenir des faisceaux d'autres espèces ionisées telles que P+ (à partir d'ions PF2+ eux-mêmes obtenus à partir du composé PF3) ou As+ (obtenu à partir d'ions AsF2+ eux- mêmes obtenus à partir du composé AsF3). L'invention s'applique de façon générale à la production d'un faisceau de toute espèce (atome, molécule) ionisée admettant un composé ionisé qui peut être formé dans une source d'ions et extrait de celle- ci, qui est de plus apte à se décomposer pour donner l'espèce considérée sous forme ionisée et qui, de pré- férence, présente une grande section efficace d'inte- raction avec des atomes neutres, des ions, des élec- trons ou des photons. REVENDICATIONS 1. Dispositif de production d'ions d'une es- pèce déterminée, caractérisé en ce qu'il comprend: - des moyens-source (3) , prévus pour créer un faisceau (8) d'ions isoénergétiques comprenant des ions qui contiennent l'espèce déterminée et sont aptes à se décomposer en donnant des ions constitués de l'espè- ce déterminée sous forme ionisée, - des moyens de décomposition (4), prévus pour intera- gir préférentiellement avec les ions contenant l'es- pèce déterminée et décomposer ceux-ci en faisant ap- paraitre les ions constitués de l'espèce déterminée sous forme ionisée, et - des moyens séparateurs (5), prévus pour effectuer une séparation énergétique entre les ions constitués de l'espèce déterminée sous forme ionisée et le res- te du faisceau. 2. Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les moyens de décomposition (4) comprennent un gaz à basse pression ou un plasma, con- tenu dans un domaine (11, 30) traversé par le faisceau d'ions. 3. Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les moyens de décomposition (4) comprennent un flux de particules, dirigé vers le faisceau d'ions. 4. Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens séparateurs (5) comprennent au moins un filtre élec- trostatique (15, 16). 5. Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens séparateurs (5) comprennent au moins un filtre à champs électrique et magnétique (40). 6. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, à l'implantation ionique.