KR101464484B1 - 이온 비임 임플란터를 위한 플라즈마 전자 플러드 - Google Patents
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Abstract
플라즈마 전자 플러드 시스템으로서, 가스를 포함하도록 구성된 방출 챔버를 구비하는 하우징으로서, 내부에 세장형 추출 슬릿, 음극 필라멘트, 음극 조립체 및 다수의 양극을 포함하는 하우징을 포함하며, 상기 세장형 추출 슬릿은 이온 주입 시스템과 직접적으로 소통하며, 상기 음극 필라멘트는 전위차에 의해서 다수의 양극으로 끌어 당겨지는 전자들을 방출하며, 방출된 전자들의 일부는 세장형 추출 슬릿을 통해서 이온 주입 시스템 내에서 이동하는 이온 비임을 중성화하는데 이용하기 위한 전자 밴드로서 배출된다.
Description
개략적으로 설명해서, 본 발명은 이온 주입(ion implantation) 시스템, 그리고 특히 이온 주입 시스템에서 이용되는 이온 비임의 균일한 전하 중성화(charge neutralization)에 관한 것이다.
이온 주입 시스템은 집적 회로 제조에서 불순물로 반도체를 도핑하기 위해서 이용된다. 그러한 시스템에서, 이온 공급원은 희망 도펀트 원소를 이온화하며, 그러한 원소는 희망하는 에너지의 이온 비임 형태로 공급원으로부터 추출된다. 그러한 이온 비임은 반도체 공작물의 표면으로 지향되어 도펀트 원소를 공작물에 주입할 것이다. 비임의 이온들은 공작물의 표면을 침투하여 공작물 또는 웨이퍼 내의 트랜지스터 소자 내부의 영역과 같은 희망하는 전도도의 영역을 형성한다. 통상적으로, 이온 주입 프로세스는 고진공 프로세스 챔버 내에서 실시되며, 그러한 챔버는 잔류 가스 분자와의 충돌에 의해서 이온 비임이 분산되는 것을 방지하고 그리고 공기중의 입자에 의해서 공작물이 오염될 위험을 최소화한다. 통상적인 이온 주입 시스템은 이온 비임 생성을 위한 이온 공급원, 자기장을 이용하여 이온 비임을 질량 분석(mass resolving)하기 위한 질량 분석 장치(mass analysis apparatus)를 포함하는 비임라인(beamline) 시스템, 그리고 이온 주입에 의해서 주입되는 반도체 공작물을 포함하는 타겟(target) 챔버를 포함한다. 고에너지 주입 시스템의 경우에, 이온을 높은 에너지로 가속하기 위해서 질량 분석 자석과 타겟 챔버 사이에 가속 장치가 제공된다.
주어진 용도에 맞춰 희망하는 이온 주입을 달성하기 위해서, 주입되는 이온의 주입량(dosage) 및 에너지가 변화될 수 있을 것이다. 전달되는 이온 주입량은 해당 반도체 물질에 대한 주입 이온의 농도를 제어한다. 통상적으로, 많은 양의 주입을 위해서 높은 전류(current)의 임플란터들이 이용되는 한편, 낮은 주입량 용도를 위해서는 중간 전류의 임플란터들이 이용된다. 이온 에너지는 반도체 소자들 내의 정크션 깊이를 제어하기 위해서 이용되며, 이때 비임 이온의 에너지 레벨은 주입되는 이온의 깊이 정도를 결정한다. 점점 더 작은 반도체 소자를 지향하는 계속되는 경향으로 인해서, 낮은 에너지의 높은 비임 전류를 전달하는 역할을 하는 비임 라인 구성물(construction)이 요구되고 있다. 높은 비임 전류는 필요한 주입량 레벨을 제공하는, 한편 낮은 에너지는 낮은 주입을 가능하게 한다. 또한, 반도체 공작물 상에서 높은 소자 밀도를 지향하는 계속적인 경향으로 인해서, 공작물에 걸쳐 스캐닝되는 주입 비임의 균일성에 대한 주의 깊은 제어가 요구되고 있다.
게이트 산화물에 의해서 벌크(bulk) 반도체로부터 절연된 전극을 이용하여 반도체 웨이퍼를 이온 주입하는 동안의 하나의 효과는 비임 이온의 전하에 의해서 절연된 피쳐(feature)가 대전(charging)된다는 것이다. 일반적으로 대전이라고 지칭되는 이러한 효과는, 절연 피쳐(예를 들어, 게이트 전극)의 전압이 절연체(예를 들어, 게이트 산화물)의 파괴 전압(breakdown voltage)을 초과하여 게이트 산화물에 대한 결과적인 손상이 발생된다면, 반도체 소자에 대해서 치명적이 될 수 있을 것이다. 대전율(charging rate) 및 대전 전압은 비임 전류에 따라서 증대될 것이고 그리고 증대된 비임 전류를 이용한 이온 주입은 보다 많은 프로세싱상의 문제점을 야기할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
대전 문제를 해결하기 위해서, 반대 부호의 전기 전하를 주입되는 공작물에 대해 제공함으로써, 이온 비임의 대전을 보상할 수 있을 것이다. 양의 이온 비임의 경우에, 단위 시간당 양(positive)의 이온 비임의 양(量)과 동일한 양의 전자들을 공작물에 제공하는 것, 즉 이온 비임 전류를 공작물에 대한 동일한 전자 전류와 매칭(match)시키는 것이 일반적으로 실행되고 있다. 통상적으로, 이러한 것은 열전자 방출(thermionic emission), 이차적인 방출, 또는 방전과 같은 전자 발생 프로세스를 통해서 전자를 발생시키고 그리고 전자를 공작물로 직접 지향시키는 장치들에 의해서 이루어진다. 통상적으로, 이들 장치들은 지정된(designated) 전자 건(gun), 이차 전자 플러드(flood), 플라즈마 전자 플러드 등이 될 것이다.
또 다른 지속적인 경향으로서, 300 mm 직경의 웨이퍼와 같은 대형 반도체 공작물 크기를 추구한다 할 것이다. 높은 소자 밀도와 결합되었을 때, 공작물의 크기가 클수록 각각의 공작물의 비용이 증대된다. 그 결과, 공작물 폐기처분과 관련한 비용을 줄이거나 감축하는데 있어서, 이온 비임과 관련된 주입 균일성 및 기타 파라미터를 제어하는 것이 보다 더 중요한 문제가 될 것이다. 이온 비임은 이온 공급원 추출 개구부 및 후속하는 성형 장치에 따라서 성형되고, 그러한 성형 장치는 예를 들어 질량 분석 장치(mass analyzers), 분석 개구(resolving apertures), 4중극 자석(quadrupole magnets) 및 이온 가속기를 포함하며, 그러한 성형 장치에 의해서 이온 비임이 타겟 공작물 또는 웨이퍼로 제공된다. 비임 및/또는 타겟 공작물은 서로에 대해서 병진운동되어(translated) 공작물의 이온 스캐닝을 실행한다.
이온 비임 내에서 비임 확장(beam blow-up)을 제한하기 위해서 이용되는 다른 기술은 이온 비임 내로 방출되는 전자를 이용하는 균일 전하 중성화 기술이다. 전하 감소와 관련하여, 전자 방출 장치는 이온화 프로세스를 이용하여 전자를 생성하는 단계, 그러한 전자들을 에너지화(energizing)하는 단계 그리고 그 전자들을 가스와 충돌시키는 단계를 통상적으로 포함한다. 에너지화는 DC 전기장(예를 들어, DC 아아크 방전을 위한 것) 또는 시간에 따라 변화되는 전기장(예를 들어, AC 아아크 방전, RF 방전, 마이크로파 방전 등을 위한 것)을 이용하여 이루어질 수 있을 것이다. 이용되는 방전 타입은 원하는 전기적 특성(예를 들어, 밀도 분포, 획득되는 밀도 등)에 따라서 주로 결정된다. 또한, 마이크로파 및 RF 방전(예를 들어, RF 플라즈마 전자 플러드)이 큰 체적으로 확대(scaled)될 수 있을 것이나, 이는 보다 복잡하고 그리고 유지에 많은 비용이 소요되며, 매칭 회로 및 고가의 고주파 전력 생성을 필요로 한다.
도 1-3, 4a, 4b, 및 5-7은 미국 특허 공보 2006/0113492에 개시된 종래의 웨이퍼 전하 보상 장치를 도시하고 있다. 이러한 예에서, 종래 장치는 대전형(charged) 입자 비임을 각각 이용하는 비임 프로세싱 시스템들 중에서 단일-웨이퍼 이온 주입 시스템에 특히 적용된다. 도 1 및 도 2는 단일-웨이퍼 이온 주입 시스템의 개략적인 구조를 각각 도시하는 평면도 및 측면도이다.
도시된 종래의 이온 주입 시스템은 이온 공급원 유닛(11)(이온 공급원 및 추출 전극을 포함), 질량 분석 자석 장치(12), 비임 성형 장치(beam shaper; 13), 스캐닝을 위한 편향장치(14), P (즉, 평행화(parallelizing) 렌즈(15), 가속/감속 전극(16), 편향 에너지 필터(17), 및 프로세스 챔버(18)를 포함한다.
이러한 종래의 이온 주입 시스템에서, 이온 공급원 유닛(11) 내에서 생성된 이온들이 추출 전극(도시되지 않음)을 통해서 이온 비임(이하에서 "비임"이라 한다)으로써 추출된다. 추출된 비임은 질량 분석 자석 장치(12) 내에서 질량 분석되며, 그에 따라 필요한 이온 종(species) 만이 주입을 위해서 선택된다. 필요한 이온 종들만으로 이루어진 비임은 비임 성형 장치(13)에 의해서 단면이 성형된다. 비임 성형 장치(13)는 Q(4분극 또는 4중극) 렌즈 등에 의해서 형성된다. 성형된 단면을 가지는 비임이 스캐닝을 위해서 편향 장치(14)에 의해서 도 1의 위쪽/아래쪽 방향으로 편향된다. 편향 장치(14)는 하나 이상의 상류 차폐(shield) 전극(14-1) 및 하나 이상의 하류 차폐 전극(14-2)을 구비하며, 그러한 차폐 전극들은 편향 장치(14)에 인접하여 그 상류측 및 하류측에 각각 배치된다. 이러한 실시예에서, 편향 스캔 전극이 스캐닝을 위한 편향 장치(14)로 이용되었지만, 편향 스캔 자석이 그들 대신에 이용될 수도 있을 것이다.
스캐닝을 위한 편향 장치(14)에 의해서 편향된 비임이 전극들 또는 자석들에 의해서 형성된 P 렌즈(15)에 의해서 평행화되고 그에 따라 0 도의 편향 각도로 축선과 평행하게 된다. 도 1에서, 편향 장치(14)에 의해서 왕복적으로 스윙되는 비임에 의한 스캔 범위는 두꺼운 실선 및 이중 파선으로 도시하였다. P-렌즈(15)로부터의 비임은 하나 이상의 가속/감속 전극(16)에 의해서 가속 또는 감속되고 그리고 편향 에너지 필터(17)로 전송된다. 편향 에너지 필터(17)는 비임의 에너지 분석을 실행하며 그에 따라 필요한 에너지를 가지는 이온 종 만을 선택한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 선택된 이온 종들 만이 편향 에너지 필터(17) 내에서 약간 아래쪽으로 편향된다. 선택된 이온 종들만으로 이루어진 비임이 웨이퍼(19) 내로 주입되고, 그러한 웨이퍼는 프로세스 챔버(18) 내로 도입된 조사 대상물(to-be-irradiated object)이다. 공작물(19)로부터 이탈된 비임은 프로세스 챔버(18) 내에 제공된 비임 스톱퍼(18-1)로 입사되며, 그에 따라 에너지가 소모된다. 비임의 이송 경로는 모두 고-진공 상태로 유지된다.
도 1에서, 웨이퍼(19)에 인접하여 도시된 화살표들은 비임이 스캐닝을 위해서 이들 화살표 방향으로 편향된다는 것을 나타내는 한편, 도 2에서, 웨이퍼(19)에 인접하여 도시된 화살표들은 웨이퍼(19)가 이들 화살표 방향으로 이동된다는 것을 나타낸다. 보다 구체적으로, 비임이 스캐닝을 위해서 예를 들어 x-축 방향으로 왕복적으로 편향된다고 가정하면, 웨이퍼(19)는 구동 기구(도시되지 않음)에 의해서 x-방향에 수직인 y-방향을 따라서 왕복하도록 구동된다. 이는 웨이퍼(19)의 전체 표면에 걸쳐 비임이 조사될 수 있게 한다.
전술한 바와 같은 방식에서, 도 1 및 도 2에 도시된 종래의 이온 주입 시스템에서, 원형 단면 또는 타원형이나 달걀형 단면을 가지는 비임을 편향시킴으로써 한쪽 방향으로 긴 타원형 또는 달걀형의 연속적인 단면을 가지는 비임이 얻어질 수 있을 것이고 이어서 후속-스테이지(later-stage) 에너지 분석 장치로서 기능하는 편향 에너지 필터의 이용에 의해서 스캔 영역 내의 임의 위치들에서 균일한 각도로 벤딩되고(bent) 그리고 마지막으로 웨이퍼(19) 내로 주입될 수 있을 것이다.
이러한 종래 기술에 따른 전하 보상 장치(30)가 편향 장치(14)의 하류측에, 보다 구체적으로, 편향 에너지 필터(17)의 하류측에 제공된다. 전하 보상 장치는 플라즈마 샤워라고도 지칭된다. 도 1 및 도 2에서 전하 보상 장치(30)가 프로세스 챔버(18)의 외부에 위치되어 있으나, 프로세스 챔버(18)의 내부에도 위치될 수 있을 것이다.
종래기술을 도시한 도 3, 도 4a 및 도 4b를 참조하여, 종래 기술에 따른 이온 공급부 또는 전하 보상 장치(30)를 설명한다. 종래 기술에 따른 전하 보상 장치(30)는 필라멘트(31)와, 가스 도입 포트(32)와, 하나 또는 둘 이상의 제 1 추출 홀(33)을 구비하는 제 1 아아크 챔버(34), 그리고 제 2 아아크 챔버(35)를 포함한다. 제 2 아아크 챔버(35)는 제 2 추출 홀(36)을 구비하고, 그리고 제 2 추출 홀(36)이 중공의 원통형 또는 장방형 부재(40)의 내측 공간(50)에 노출되도록 그리고 스캔 영역의 왕복 스윙 비임과 마주하도록(faced) 튜브형 또는 중공 원통형 또는 장방형 부재(플러드 박스)(40)에 부착된다. 중공 원통형 또는 장방형 부재(40)는 유입구 측 상에서 프로세스 챔버(도시되지 않음)의 일부가 될 수 있고 또는 프로세스 챔버 내에 배치될 수 있을 것이다. 어떠한 경우든 간에, 제 2 아아크 챔버(35)는 대략적으로 중공 원통형 또는 장방형 부재(40)의 전체 폭에 걸쳐 연장하는 길이를 가진다.
도 5에서, SA라는 문자는 중공 원통형 또는 장방형 부재(40) 내의 비임에 의한 스캔 범위 또는 영역(50)(탐지 범위 또는 영역)을 나타낸다. 이러한 실시예에서, 제 2 추출 홀(36)은 스캔 영역(SA) 내에서 제 2 아아크 챔버(35)의 길이 방향으로 간격을 두고 정렬되는 다수의 홀(36)에 의해서 구현된다.
그 대신에, 제 2 추출 홀(36)이 스캔 영역(SA)에 걸쳐 연장하는 단일 슬릿에 의해서 구현될 수도 있을 것이다. 다수의 홀 또는 단일 슬릿 모두의 경우에, 제 2 추출 홀(36)의 개구부 분포 또는 형상은 제 2 아아크 챔버(35) 내의 제 2 플라즈마 밀도 분포에 상응하도록 구성된다. 즉, 플라즈마 밀도가 낮은 부분에서는 개구부 밀도가 높은 반면 플라즈마 밀도가 높은 부분에서는 개구부 밀도가 낮은것이 바람직할 것이다. 특히, 제 2 추출 홀(36)이 다수의 홀에 의해서 구현되는 경우에, 플라즈마 밀도가 낮은 부분에서는 홀들의 간격이 좁은 반면 플라즈마 밀도가 높은 부분에서는 홀들의 간격이 넓어진다. 한편, 제 2 추출 홀(36)이 단일 슬릿에 의해서 구현되는 경우에, 플라즈마 밀도가 낮은 부분에서는 슬릿의 폭이 증대되는 한편 플라즈마 밀도가 높은 부분에서는 슬릿의 폭이 감소된다.
제 2 아아크 챔버(35)의 길이 방향의 중간 부분에 인접한 위치에서 제 2 아아크 챔버(35)까지 제 1 추출 홀(33)이 개방 또는 노출되도록 제 1 아아크 챔버(34)가 제 2 아아크 챔버(35)의 벽에 부착된다. 제 1 및 제 2 아아크 챔버(34 및 35) 사이의 경계 부분에서, 제 1 추출 홀(33)에 상응하는 위치에서 홀을 가지는 제 1 추출 전극(37)이 제공된다. 그러나, 제 1 추출 전극이 생략될 수도 있을 것이다. 이러한 경우에, 제 2 아아크 전압(후술 함)이 제 1 아아크 챔버(34)와 제 2 아아크 챔버(35) 사이에 공급되어 제 2 아아크 챔버(35) 내에서 제 2 플라즈마를 생성한다.
제 1 아아크 챔버(34) 및 제 2 추출 홀(36)이 각각 제공되는 영역들을 제외한 제 2 아아크 챔버(35)의 벽에 다수의 영구 자석(38)이 배치된다. 즉, 영구 자석(38)은 제 2 아아크 챔버(35)의 상부 및 하부 벽 표면, 좌측 및 우측 벽 표면, 그리고 양측 단부 벽 표면에서 간격을 두고 정렬된다. 영구 자석(38)은 제 2 아아크 챔버(35) 내에서 밀폐(confinement) 자기장(밀폐를 위한 첨점(cusp) 자기장)을 형성하는 역할을 한다. 그에 따라, 모든 영구 자석(38)들은 자극이 제 2 아아크 챔버(35)의 내부를 향해서 지향되도록 배치되고 그리고 인접하는 영구 자석(38)의 자극들이 서로 반대가 되도록 배치된다. 도 5에서, 밀폐 자기장을 형성하는 자속이 화살표로 부분적으로 도시되어 있다.
도 6 및 도 7은 제 2 아아크 챔버(35)의 양 단부 벽 표면들 중 하나에서 영구 자석(38)의 정렬 상태를 도시한다. 여기에서, 단부 벽 표면의 형상이 정사각형형이기 때문에, 다양한 크기의 다수의 정사각형 프레임-형상의 영구 자석(38)들이 동심적으로 배치되고 그리고 하나의 정사각형 영구 자석(38)이 가장 안쪽의 프레임 형상의 영구 자석(38)으로 배치된다. 이들 영구 자석(38)은 또한 자극이 제 2 아아크 챔버(35)의 내부를 향하도록 배치되고 그리고 인접하는 영구 자석(38)들의 자극이 서로 반대가 되도록 배치된다. 영구 자석(38)은 삼각형 형상을 포함하는 다른 다각형 형상을 가질 수도 있을 것이다. 만약 단부 벽 표면의 형상이 원형이라면, 영구 자석(38)은 환 형상을 가질 수 있을 것이다.
제 1 아아크 챔버(34) 및 제 2 아아크 챔버(35)가 아아크 챔버 지지부(39)(도 3 참조)에 의해서 지지된다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 전력이 챔버 지지부(39)에 부착된 필라멘트 공급부(41)를 통해서 필라멘트(31)로 공급된다. 도 1 및 도 2에서, 전하 보상 장치(30)는 비임이 약간 아래쪽으로 편향되는 위치에 제공된다. 한편, 도 5에서, 중공 원통형 또는 장방형 부재(40)가 수평 상태로 도시되어 있다. 전하 보상 장치(30)를 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 배치하기 위해서, 전체 장치가 비임의 편향 각도에 매칭되도록 경사지게 된다.
아르곤과 같은 가스가 가스 도입 포트(32)를 통해서 제 1 아아크 챔버(34) 내로 도입된다. 전력이 필라멘트 전력 공급부(42)로부터 제 1 아아크 챔버(34) 내에 배치된 필라멘트(31)로 공급되어 그 필라멘트(31)를 높은 온도까지 가열하며 그에 따라 열전자 방출(thermionic emission)에 의해서 전자가 생성된다. 열전자적으로 방출된 전자들이 제 1 아아크 전력 공급부(43)로부터 필라멘트(31)와 제 1 아아크 챔버(34) 사이로 공급된 제 1 아아크 전압에 의해서 가속된다. 가속된 전자들이 도입 가스와 충돌되며 그에 따라 제 1 아아크 챔버(34) 내에서 제 1 플라즈마가 생성된다. 제 1 아아크 챔버(34)가 하나 또는 둘 이상의 제 1 추출 홀(33)을 구비하고 그리고 제 1 추출 전극(37)이 그 외부에 배치된다. 제 1 추출 전력 공급부(44)로부터 제 1 추출 전극(37)과 제 1 아아크 챔버(34) 사이로 제 1 추출 전압을 제공함으로써, 제 1 전자들이 제 1 아아크 챔버(34) 로부터 추출된다.
제 1 아아크 챔버(34) 내에서 이온화되지 않고 제 1 추출 홀(33)로부터 사출되는 중성 가스 그리고 제 1 아아크 챔버(34)로부터 추출되는 제 1 전자들이 스캔 영역(SA)에 상응하는 길이를 가지는 제 2 아아크 챔버(35)로 도입된다. 필라멘트(31)의 물질이 증발 등에 의해서 산란된다고 하더라도, 제 1 추출 홀(33)의 크기가 작기 때문에, 산란된 물질이 제 1 아아크 챔버(34) 내에서 머무르게 될 것이고 그에 따라 제 2 아아크 챔버(35) 내로 도입되지 않을 것이다.
제 2 아아크 챔버(35) 내로 도입된 제 1 전자들이 제 2 아아크 전력 공급부(45)로부터 제 2 아아크 챔버(35)와 제 1 추출 전극(37) 사이로 공급되는 제 2 아아크 전압에 의해서 가속된다. 가속된 전자들은 제 1 아아크 챔버(34) 로부터 도입된 가스와 충돌하며, 그에 따라 제 2 아아크 챔버(35) 내에서 고밀도의(dense) 제 2 플라즈마가 생성된다.
다수의 영구 자석(38)들이 제 2 아아크 챔버(35)의 벽 표면에 정렬되어 밀폐 자기장을 형성하기 때문에, 그들 벽 표면에서의 전자 손실이 억제될 수 있을 것이고 그리고 제 2 아아크 챔버(35) 내에서 스캔 방향을 따른 플라즈마 균일도를 개선할 수 있을 것이다.
영구 자석(38)의 온도를 퀴리(Curie) 온도 미만으로 유지하기 위해서, 즉 영구 자석(38)의 열적 탈자화를 방지하기 위해서, 제 2 아아크 챔버(35)가 수냉 방식 등으로 냉각된다. 제 2 아아크 챔버(35)는 비임 통과 영역과 마주하는 위치에서 제 2 추출 홀(36)을 구비한다. 이러한 실시예에서, 전술한 바와 같이, 제 2 추출 홀(36)은 비임의 스캔 영역(SA)에 상응하여 정렬된 다수의 홀 형태를 가진다. 그 대신에, 제 2 추출 홀(36)은, 전술한 바와 같이, 스캔 영역(SA)에 걸쳐 연장하는 단일 슬릿 형태의 개구부로 구현될 수도 있을 것이다. 제 2 추출 홀(36) 이외에서 가스 누출이 일어나지 않도록 제 2 아아크 챔버(35)가 구성되며, 그에 따라 제 2 아아크 챔버(35) 내에서 가스 압력 감소를 방지하여 플라즈마 생산 효율을 높일 수 있을 것이다.
비임이 제 2 추출 홀(36) 부근을 통과할 때, 비임의 양전위에 의해서 제 2 전자들이 제 2 아아크 챔버(35)로부터 추출된다. 추출된 제 2 전자들은 제 1 아아크 챔버(34) 및 제 2 아아크 챔버(35) 내에서 이온화없이 제 2 추출 홀(36)로부터 사출된 중성 가스와 충돌된다. 결과적으로, 플라즈마(플라즈마 브릿지)가 비임(왕복 스윙 비임)과 제 2 아아크 챔버(35)(정확하게는 제 2 추출 홀(36)) 사이에 형성된다. 제 2 아아크 챔버(35) 내의 제 2 전자들은 플라즈마 브릿지를 통해서 비임으로 자율적으로(autonomously) 공급된다. 제 2 추출 홀(36)이 스캔 영역(SA)에 상응하는 영역 내에 존재하기 때문에, 스캐닝을 위한 편향에 의해서 비임의 위치가 이동되는 경우에도, 플라즈마 브릿지는 비임과 제 2 아아크 챔버(35) 사이에서 일정하게 형성되며, 그에 따라 자율적인 전자 공급이 이루어질 수 있게 된다. 제 2 추출 전압 공급부(46)로부터 제 2 아아크 챔버(35)와 접지 전위 사이로 제 2 추출 전압이 공급될 수 있도록 제 2 아아크 챔버(35)가 구성된다. 이러한 구성에서, 비임으로 공급되는 전자들의 양 및 에너지를 조절할 수 있을 것이다.
제 2 아아크 전력 공급부(45)와 제 2 추출 전력 공급부(46) 사이의 전류 값(아아크 전류)이 측정될 수 있고 그리고 일정한 아아크 전류를 달성하기 위해서 전력 공급부 제어로 피드백될 수 있을 것이다.
비임에 의한 스캔 영역 및 제 2 추출 홀(36)이 중공 원통형 또는 장방형 부재(40)로 덮여진다. 중공 원통형 또는 장방형 부재(40)의 전위(potential)는 제 2 아아크 챔버(35)로부터 추출되고 웨이퍼로 공급되는 제 2 전자들의 양을 조절할 수 있도록 제 2 아아크 챔버(35)의 전위와 상이하도록 설정될 수 있을 것이고, 또는 단순한 구조를 달성하기 위해서 제 2 아아크 챔버(35)의 전위와 동일하도록 설정될 수 있을 것이다.
중공 원통형 또는 장방형 부재(40)의 내측 벽(50)(비임과 접촉하는 표면)이 톱니모양으로(serrated) 형성되며, 그에 따라 절연성 오염물질(stain)이 내측 벽의 전체 표면에 부착되는 것을 방지한다. 또한, 중공 원통형 또는 장방형 부재(40)의 비임 상류 측에는 바이어스 전극(48)이 배치되며, 그러한 바이어스 전극에는 바이어스 전력 공급부(47)로부터의 음의 전압이 인가될 수 있을 것이다. 이는, 비임 상류 방향에서 전자의 산란을 방지할 수 있고 그리고 하류 측(웨이퍼를 향함)을 향한 전자의 효과적인 이송을 가능하게 할 수 있다. 중공 원통형 또는 장방형 부재(40)는 자기 차폐부를 추가로 구비할 수 있으며, 그에 따라 예를 들어 편향 에너지 필터(17)로부터의 자기장과 같은 외부 자기장을 차폐할 수 있을 것이다. 이는, 외부 자기 장이 강할 때, 전자풍(electron wind)이 자기장의 라인(lines) 주위를 돌게되고(around) 그에 따라 웨이퍼에 도달하기 전에 전자들을 잃게 되기 때문이다.
전술한 구조에서, 제 2 추출 홀(36)이 스캔 영역(SA)에 상응하는 구역에 존재한다. 따라서, 플라즈마가 제 2 아아크 챔버(35) 내에서 생성될 때, 비임의 위치가 스캐닝을 위한 편향에 의해서 이동되는 경우에도, 플라즈마 브릿지가 비임과 제 2 아아크 챔버(35) 사이에서 일정하게 형성되며, 그에 따라 평형(equilibrium) 전자 공급이 실행될 수 있을 것이다. 또한, 밀폐 자기장이 제 2 아아크 챔버(35) 내에서 생성되기 때문에, 제 2 아아크 챔버(35)의 내측 벽 표면에서의 전자 손실이 감소된다. 이는, 플라즈마 생산 효율을 개선할 수 있을 것이고 그리고 제 2 아아크 챔버(35) 내에서의 플라즈마의 균일도를 개선할 수 있을 것이며, 그에 따라 비임의 스캔 위치와 다소 관계 없이 비임으로 충분한 전자를 공급할 수 있을 것이다.
그러나, 이러한 플라즈마 공급 장치는 확산에 의존하고 제 2 아아크 챔버 내에서 플라즈마의 동일한 플라즈마 특성을 보장하지는 못하며; 또한 자석의 이용 및 자석의 배치 그리고 관련 디자인으로 인해서 비교적 고가일 수 있다. 따라서, 반도체 공작물에 대한 주입을 위해서 균일한 이온 비임을 제공할 수 있고 그리고 제조가 용이하고 저렴한, 대전 방지 그리고 개선된 균일 전하 중성화를 위한 장치 및 방법이 제공되는 것이 바람직할 것이다.
이하에서는, 본원 발명의 하나 이상의 특징들에 대한 기본적인 이해를 가능하도록 하는 단순화된 요약 설명을 제공한다. 이러한 요약은 본원 발명에 대한 광범위한 설명이 아니고, 그리고 본원 발명의 중요한 또는 결정적인 요소를 설명하기 위한 것도 아니며, 본원 발명의 범위를 경계짓기 위한 것도 아니다. 오히려, 이러한 요약 설명의 주요 목적은 추후에 설명되는 보다 상세한 설명에 대한 전제부로서 단순화된 형태로 본원 발명의 일부 개념을 설명하기 위한 것이다. 본원 발명은 이온 비임을 이용하여 공작물을 주입하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 그러한 장치 및 방법에 의해서 종래 기술과 관련하여 전술한 단점들 및 기타 단점들이 극복되거나 경감될 수 있을 것이다. 특히, 본원 발명은 리본 비임(ribbon beam) 또는 시간-평균화된(time-averaged) 리본 비임으로 스캐닝된 펜슬 비임(pencil beam)과 같은 비교적 넓은 이온 비임이 이온 공급원에 의해서 생성되고 이어서 중성적으로 대전되는 주입 시스템을 제공한다.
본원 발명의 하나의 특징에 따라서, 플라즈마 전자 플러드 시스템은 가스를 포함하도록 구성된 방출(discharge) 챔버를 구비하는 하우징을 포함하고, 그리고 세장형(elongated) 추출 슬릿, 내부에 놓인 음극 및 다수의 양극을 포함한다. 세장형 추출 슬릿은 이온 주입 시스템과 직접적으로 소통하며, 음극은 전위차에 의해서 다수의 양극으로 끌어 당겨지는 전자들을 방출한다. 방출된 전자들의 일부(fraction)는 세장형 추출 슬릿을 통해서 이온 주입 시스템 내에서 이동하는 이온 비임을 중성화하는데 이용하기 위한 전자 밴드로서 배출된다.
본 발명의 다른 실시예는 길이방향 경로를 따라서 비교적 넓은 이온 비임을 생성하는 이온 공급원, 질량에 따라서 달라지는 궤적으로 비임의 이온들을 편향시키기 위해서 길이방향 경로에 걸쳐 자기장을 제공하는 질량 분석 장치를 포함하는 이온 주입 시스템을 포함한다. 단부 스테이션은 비임라인 시스템으로부터 질량 분석된 이온 비임을 수용하고 그리고 질량 분석된 이온 비임을 이용한 주입을 위해서 경로를 따라서 하나 이상의 공작물을 지지한다. 하우징 내부의 방출 챔버는 다수의 양극, 음극 및 세장형 추출 슬릿을 포함하고, 상기 음극은 전위차를 통해서 다수의 양극으로 끌어당겨지는 전자들을 방출한다. 세장형 추출 슬릿은 세장형 밴드로서 전자의 일부를 이온 비임 내로 방출한다.
또 다른 본원 발명의 특징은 이온 비임 내로 전자들을 도입하는 방법을 제공하며, 그러한 방법은 방출 챔버 내에서 음극을 에너지화(energizing)하는 단계, 음극, 방출 챔버 하우징 및 양극을 바이어싱하는 단계, 그리고 세장형 추출 슬릿을 통해서 리본 이온 비임 내로 전자를 방출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 특징은 이온 주입 시스템에서 정적인(static) 또는 시간-평균화된 리본 이온 비임을 이용하여 공작물에 주입하는 방법을 제공하며, 그러한 방법은 리본 이온 비임을 생성하는 단계 및 리본 이온 비임을 질량 분석하는 단계를 포함한다. 그러한 방법은 전자들의 세장형 밴드를 리본 이온 비임으로 제공하는 단계 및 질량 분석된 리본 이온 비임을 하나 이상의 공작물로 제공하여 리본 이온 비임으로부터의 이온들로 하나 이상의 공작물을 주입하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 다른 실시예는 이온 비임을 이용하여 공작물에 주입하기 위한 이온 주입 시스템을 포함하며, 그러한 이온 주입 시스템은 리본 이온 비임을 생성하기 위한 수단, 리본 이온 비임을 질량 분석하기 위한 수단, 리본 이온 비임을 질량 분석하기 위해서 전자들의 세장형 밴드를 제공하기 위한 수단, 리본 이온 비임으로부터의 이온들을 이용하여 공작물에 주입하기 위해서 질량 분석된 리본 이온 비임을 공작물로 제공하기 위한 수단을 포함한다.
전술한 목적들 및 관련 목적들을 달성하기 위해서, 이하에서는 본원 발명의 특정의 예시적인 특징들 및 실시예들에 대해서 구체적으로 설명한다. 이들은 본원 발명의 원리들이 구현될 수 있는 여러 방식들 중 단지 일부를 나타내는 것이다. 본원 발명의 다른 특징, 이점 및 신규한 특징들은 첨부 도면을 참조하여 본원 발명에 관한 이하의 구체적인 설명으로부터 보다 분명히 이해될 수 있을 것이다.
도 1 및 도 2는 이온 주입 시스템의 개략적인 구조를 각각 도시하는 평면도 및 측면도이다.
도 3은 전하 보상 장치의 구조를 설명하기 위한 종래 기술의 종단면도이다.
도 4a는 도 3에 도시된 장치를 도시한 도면으로서 종래 기술을 도시한 횡단면도이다.
도 4b는 도 3에 도시된 종래 기술의 장치의 부분적인 사시도이다.
도 5는 도 3에 도시된 제 2 아아크 챔버의 양 단부 표면들 중 하나에서 밀폐 자기장 형성 영구 자석들의 정렬 상태를 도시한 종래 기술에 따른 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 제 2 아아크 챔버의 양 단부 표면들 중 하나에서 밀폐 자기장 형성 영구 자석들의 정렬 상태를 도시한 종래 기술에 따른 도면이다.
도 7는 도 3에 도시된 제 2 아아크 챔버의 상부, 하부, 좌측, 및 우측 벽 표면들에서 밀폐 자기장 형성 영구 자석들의 정렬 상태를 도시한 종래 기술에 따른 도면이다.
도 8은 본 발명의 하나의 특징에 따라서 플라즈마 전자 플러드 시스템(PEF)를 도시한 분해도이다.
도 9a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 8에 도시된 하우징을 통해서 도시된 단면도이다.
도 9b는 도 8의 세장형 추출 슬릿을 통한 본 발명의 다른 특징에 따른 리본 이온 비임 내로의 전자 유동을 도시한 사시도이다.
도 10은 본원 발명의 다른 용도를 포함하는 방법을 추가적으로 도시한 도면이다.
도 11은 본원 발명의 다른 방법을 도시한 블록도이다.
도 3은 전하 보상 장치의 구조를 설명하기 위한 종래 기술의 종단면도이다.
도 4a는 도 3에 도시된 장치를 도시한 도면으로서 종래 기술을 도시한 횡단면도이다.
도 4b는 도 3에 도시된 종래 기술의 장치의 부분적인 사시도이다.
도 5는 도 3에 도시된 제 2 아아크 챔버의 양 단부 표면들 중 하나에서 밀폐 자기장 형성 영구 자석들의 정렬 상태를 도시한 종래 기술에 따른 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 제 2 아아크 챔버의 양 단부 표면들 중 하나에서 밀폐 자기장 형성 영구 자석들의 정렬 상태를 도시한 종래 기술에 따른 도면이다.
도 7는 도 3에 도시된 제 2 아아크 챔버의 상부, 하부, 좌측, 및 우측 벽 표면들에서 밀폐 자기장 형성 영구 자석들의 정렬 상태를 도시한 종래 기술에 따른 도면이다.
도 8은 본 발명의 하나의 특징에 따라서 플라즈마 전자 플러드 시스템(PEF)를 도시한 분해도이다.
도 9a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 8에 도시된 하우징을 통해서 도시된 단면도이다.
도 9b는 도 8의 세장형 추출 슬릿을 통한 본 발명의 다른 특징에 따른 리본 이온 비임 내로의 전자 유동을 도시한 사시도이다.
도 10은 본원 발명의 다른 용도를 포함하는 방법을 추가적으로 도시한 도면이다.
도 11은 본원 발명의 다른 방법을 도시한 블록도이다.
이하에서는 첨부 도면들을 참조하여 본원 발명에 대해서 설명하며, 첨부 도면들에서는 유사한 요소들에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다. 본원 발명은 반도체 공작물과 같은 공작물의 이온 주입을 위한 플라즈마 전자 플러드형 이온 비임을 제공하기 위한 방법 및 시스템을 제공한다. 본원 발명의 일 실시예가 첨부 도면들과 관련하여 이하에서 설명된다. 그러한 설명은 본질적으로 예시적인 것이고 한정적인 것은 아니다. 그에 따라, 설명된 시스템들 및 방법들의 여러 변형예들도 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이고 그리고 설명된 것과 다른 실시예들도 본원 발명의 범위 및 특허청구범위에 포함될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
먼저, 도 8을 참조하면, 플라즈마 전자 플러드 시스템(PEF; 800)을 제공하는 본원 발명이 분해도로서 도시되어 있으며, 그러한 플라즈마 전자 플러드 시스템은 예를 들어 방출 챔버(816) 내의 밸브(도시되지 않음)에 의해서 도입되는 가스를 포함하도록 구성된 하우징(802)을 포함한다. PEF 시스템(800)의 하우징(802)은 예를 들어 300 또는 450 밀리미터의 임의의 희망하는 압출 길이(824)로 압출될 수 있고 희망 컷아웃(cutouts)(예를 들어, 내경(822))을 구비하는 치수(818) x 치수(820)의 단면을 가진다. 또한, 하우징이 가공, 레이저 컷팅, 등으로 처리될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
플라즈마 전자 플러드 시스템(800)은 세장형 추출 슬릿(806), 음극 조립체(808), 다수의 양극(810) 및 세장형 음극 필라멘트(814)를 내부에 추가적으로 포함한다. 이러한 실시예에서, 세장형 추출 슬릿(806)은 슬릿 플레이트(812) 내에 형성되고 그리고 세장형 추출 슬릿(806)은 이온 임플란터(도시되지 않음)와 직접적으로 소통될 수 있다. 전위차를 통해서 다수의 양극으로 끌어당겨지는 전자들을 음극 필라멘트(814)로부터 방출하기 위해서 음극 조립체(808)가 에너지화된다. 이온 임플란터 내에서 이동하는 리본 이온 비임을 중성화하는데 이용하기 위한 개략적인 전자 밴드로서 전자들이 세장형 추출 슬릿(806)을 통해서 배출된다. 본원의 발명자들은 이러한 방식으로 전자들을 도입함으로써, 포인트-공급원 타입의 기술에서의 불균일한 경로 길이와 대조적으로, 전자들이 펜슬 이온 비임, 넓은 이온 비임, 또는 리본 이온 비임에 도달하기 위한 경로 거리가 동일해질 수 있다는 것을 인지하였고, 그리고 예를 들어 전하 중성화가 이온 비임의 폭에 걸쳐 보다 균일하게 이루어질 수 있다는 것을 인지하였다.
방출 챔버(816) 내의 오염 그리고 그에 따른 리본 이온 비임의 오염을 최소화하기 위해서, 음극 필라멘트(814) 및 다수의 양극(810)이 그라파이트를 포함할 수 있을 것이다. 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 및 탄탈륨(Ta) 그리고 이러한 기술 분야에서 일반적으로 이용되고 있는 다른 내화 물질도 이용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
일 실시예에서, 도 8 및 도 9a를 참조하면, 양극(810)을 향해서 가속되는 전자들이 양극(810)과 충돌할(intercepting) 가능성이 적도록 다수의 양극(810)(도 8 및 도 9a)이 리플렉스 형태(reflex geometry)를 이용하여 즉, 비교적 적은 양극 영역를 이용하여 구성된다. 음극 필라멘트(814)로부터 양극(810)까지의 주요 전자들의 통과 시간(transit time)이 길어지고 이는 전자-중성자 충돌의 횟수를 증대시키며, 그에 따라 전자 생성 및 플라즈마의 방출 밀도를 높이며, 이는 플라즈마 전자 플러드 시스템(800)이 방출 챔버(816) 내에서의 낮은 압력에서 작동될 수 있게 한다. 방출 챔버(816)는 큰 직경(822)(예를 들어, 100 mm 또는 그 초과)을 가질 수 있으며, 이때 음극 필라멘트(814)는 예를 들어 0.9 mm의 직경을 가진다. 음극 필라멘트(814) 전류는 40A로 설정될 수 있을 것이고, 결과적으로 약 2500 ℃의 음극 필라멘트(814) 온도 및 비교적 낮은 자기-자화(self-magnetization)(예를 들어, 100 가우스 미만)를 가질 수 있을 것이다. 예를 들어, 3개의 양극(810)이 있을 수 있으며, 그 양극의 각각의 지름이 3 mm 일 수 있고 그에 따라 그 양극(110)은 리플렉스 형태를 생성할 수 있을 정도로 작으면서도 플라즈마 방출 안정성을 보장할 수 있을 정도로 클 수 있다. 가스는 예를 들어 크세논을 포함하며, 플라즈마 전자 플러드 시스템(100)의 방출 챔버(116) 내에서 약 5 x 10-5 내지 1 x 10-4 Torr의 부분 압력에서 작동된다. 크세논 대신에, 가스가 또한 아르곤을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하우징(102)과 동일한 정전기적 전위의 음극(810)에서, 주요 전자들은 정전기적으로 밀폐되고(confined), 이는 다시 플라즈마 밀폐 및 그에 따른 플라즈마 밀도 모두를 증대시킨다.
플라즈마 전자 플러드 시스템(800)은 타운센드 방출 모드(Townsend discharge mode)에서 낮은 압력에서 DC 방출(dischange)로서 작동될 수 있으며, 이때 계속적인(ongoing) 방출을 유지하기 위해서 전자들이 음극 필라멘트(814)로부터 주사(inject)된다. 그에 따라, 예를 들어, 크세논 가스의 압력이 낮게(예를 들어, 5e-5 Torr 미만) 유지될 수 있고, 이는 시스템 내에서의 크세논의 부분 압력을 낮출 수 있고 그리고 보다 높은 압력(예를 들어, 5e-6 Torr 보다 높은 압력)에서 이온 비임이 경험하게 되는 부정적인 전하 교환 효과를 일부 최소화시킬 수 있을 것이다. 양극(810)을 전기적으로 양으로 바이어싱하는 것 그리고 음극 필라멘트(814) 및 하우징(802)을 전기적으로 접지시키는 것은 전자 에너지 필터링을 제공하며, 그에 따라 예를 들어 충돌(collisional) 전자 또는 열중성자화된(thermalized) 전자 만이 세장형 추출 슬릿 개구부(806)를 통해서 방출 챔버(816)를 빠져나올 수 있을 것이다.
도 9b(실척으로 도시된 것이 아니다)를 참조하면, 예를 들어 도시된 바와 같이, 전자 세장형 추출 슬릿(806)이 이온 비임(802)의 전파 방향에 대해서 횡방향이 되도록, 그에 따라, 도 9b에 도시된 바와 같이 추출된 전자의 세장형 밴드가 리본 이온 비임의 길이에 대해서 횡방향으로 리본 이온 비임으로 제공되도록, 하우징(802)(도 1)이 구성될 수 있을 것이다. 이는 전하 중성화의 균일성를 보장하며, 그에 따라 모든 전자(902)가 슬릿 플레이트(812) 내의 세장형 추출 슬릿(806)을 따라 플라즈마 전자 플러드 시스템(PEF; 950)으로부터 배출될 수 있게 된다. 슬릿 플레이트(812) 내의 세장형 추출 슬릿(806)은, 예를 들어, 도시된 것과 달리 PEF 시스템(900)(도 9)의 일체형 부분일 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 이온 비임 균일성에 도움을 주기 위해서, 슬릿(916)의 길이가 리본 이온 비임(904)의 폭(910)에 매칭되게 만들어질 수 있을 것이다. 또한, 슬릿(916)의 길이는 웨이퍼 크기를 기초로 하여 자동적으로 조절되도록 제조될 수 있을 것이며, 그에 따라 예를 들어 소위 당업자에게 공지된 마스킹 기술 또는 기타 기술을 이용할 수 있을 것이다.
도 10을 참조하면, 본원 발명은 길이방향 비임 경로를 따라서 세장형(예를 들어 펜슬 이온 비임, 리본-형상 등) 이온 비임(1004)을 생성하기 위한 이온 공급원(1002)을 포함하는 이온 주입 시스템(1000)을 제공한다. 이온 비임 공급원(1002)은 연관된 전력 공급원(1008)을 구비하는 플라즈마 공급원(1006) 및 추출 장치(1010)를 포함하며, 상기 추출 장치는 예를 들어 큰 종횡비의 세장형 리본 이온 비임(1004)이 추출될 수 있는 어떠한 디자인도 가질 수 있을 것이다. 이하의 예는 본원 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이나, 본원 발명의 범위를 제한하는 것으로 구성된 것은 아니다. 예를 들어, 플라즈마 공급원(1006)이 비교적 긴 플라즈마 밀폐 챔버를 포함할 수 있으며, 추출 장치(1010) 내의 고종횡비 추출 슬릿을 이용하여 그러한 챔버로부터 리본-비임(1004)이 추출될 수 있을 것이다. 리본-비임(1004)은 제 1 종횡비를 형성하는 횡방향 폭 및 횡방향 높이를 포함하며, 이때 횡방향 폭은 횡방향 높이 보다 상당히 크다. 예를 들어, 플라즈마 공급원(1006)으로부터 추출되는 세장형 이온 비임(1004)의 폭이 예를 들어 400 mm일 수 있고 그리고 높이가 예를 들어 10 mm일 수 있을 것이다. 리본 이온 비임 및 기타 타입의 이온 비임의 형성에 대해서는 이른바 당업자에게 잘 알려져 있다.
비임라인 시스템(1012)이 이온 공급원(1002)의 하류에 제공되어 그 이온 공급원으로부터 비임(1004)을 수신하며, 상기 비임라인 시스템은 비임(1004)을 수용하기 위해서 경로를 따라 배치된 질량 분석 장치(1014)를 포함한다. 질량 분석 장치(1014)가 작동되어 경로를 가로질러 자기장을 제공함으로써 질량(예를 들어, 전하 대 질량 비율)에 따라서 궤적을 달리하면서 이온 비임(1004)으로부터 이온을 편향시켜, 제 2 종횡비를 가지고 제 1 종횡비와 실질적으로 유사한 프로파일(profile)을 가지는 세장형 질량 분석된 이온 비임(1004)을 제공한다. 단부 스테이션(1022)이 세스템(1000) 내에 제공되고, 그러한 단부 스테이션은 비임라인 시스템(1012)으로부터 질량 분석된 이온 비임(1004)을 수용하고 질량 분석된 이온 비임(1004)을 이용한 주입을 위해서 반도체 공작물과 같은 하나 또는 둘 이상의 공작물을 경로를 따라서 지지한다. 단부 스테이션(1022)은 하나 또는 둘 이상의 타겟 공작물 및 세장형 이온 비임(1004)을 서로에 대해서 상대적으로 병진운동시키기 위한 또는 스캐닝하기 위한 타겟 스캐닝 시스템(1020)을 포함한다. 타겟 스캐닝 시스템(1020)은 배치식(batch) 또는 연속식 주입을 위해서 제공될 수 있을 것이다.
본원 발명의 다른 특징에 따라서, 도 11은 플라즈마 챔버 내에서 생성되는 다수의 전자들을 플라즈마 전자 플러드 시스템(100)(도 1)과 연관된 리본 이온 비임으로 전환시키기 위한 예시적인 방법(1100)을 도시하고 있다. 도 1에 도시된 시스템(100)은, 예를 들어, 도 11의 방법(1100)에 따라서 작동될 수 있을 것이다. 플라즈마 전자 플러드 시스템(100)(도 1) 내에서 실시되는 작용들은 동시적으로(병렬) 또는 연속적으로(in series) 실시될 수 있다는 것을 주지하여야 한다. 또한, 예시적인 방법들이 연속적인 작용 또는 이벤트로서 도시되고 설명되었지만, 본원 발명은 그렇게 설명된 작용이나 이벤트의 순서로 제한되는 것이 아니며, 본원 발명에 따라서, 일부 단계들은 도시되고 설명된 것과 다른 단계들과 동시에 실시될 수도 있고 및/또는 그와 상이한 순서로 실시될 수 있을 것이다. 또한, 본원 발명에 따른 방법론을 실행하는데 있어서 설명된 모든 단계들이 전부 필요한 것도 아니다. 또한, 본원 명세서에서 설명되고 도시된 시스템(100) 뿐만 아니라 설명되지 않은 다른 시스템과 연관하여 상기 방법들을 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 방법(1100)은 단계(1102)에서 시작되며, 그러한 단계에서는 당업자에게 공지된 기술들을 이용하여 리본 이온 비임이 생성된다. 본원 발명은 길이방향 비임 경로를 따라서 세장형(예를 들어, 리본-형상 등) 이온 비임(1004)(도 10)을 생성하기 위한 이온 공급원(1002)(도 10)을 제공한다. 이온 비임 공급원(1002)(도 10)은 연관된 전력 공급원(1008)(도 10)을 구비하는 플라즈마 공급원(1006)(도 10) 및 추출 장치(1010)(도 10)를 포함하며, 상기 추출 장치는 예를 들어 큰 종횡비의 세장형 리본 이온 비임(1004)이 추출될 수 있는 어떠한 디자인도 가질 수 있을 것이다. 전술한 바와 같이, 이하의 예는 본원 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이나, 본원 발명의 범위를 제한하는 것으로 구성된 것은 아니다. 예를 들어, 플라즈마 공급원(1006)이 비교적 긴 플라즈마 밀폐 챔버를 포함할 수 있으며, 추출 장치(1010) 내의 고종횡비 추출 슬릿을 이용하여 그러한 챔버로부터 리본-비임(1004)이 추출될 수 있을 것이다. 리본-비임(1004)은 제 1 종횡비를 형성하는 횡방향 폭 및 횡방향 높이를 포함하며, 이때 횡방향 폭은 횡방향 높이 보다 상당히 크다. 예를 들어, 플라즈마 공급원(1006)으로부터 추출되는 세장형 이온 비임(1004)의 폭이 예를 들어 400 mm일 수 있고 그리고 높이가 예를 들어 10 mm일 수 있을 것이다.
단계(1104)에서, 희망하는 전하-대-질량 비율의 이온들을 선택하기 위해서 리본 비임이 질량 분석된다. 이온 비임을 질량 분석하기 위한 질량 분석 장치는 자기장을 이용한다. 전하에 대한 이온의 질량(예를 들어, 전하-대-질량 비율)은 정전기 또는 자기장에 의해서 축방향 및 횡방향 모두로 이온들이 가속되는 정도에 영향을 미친다. 그에 따라, 바람직하지 못한 분자량의 이온들이 비임으로부터 먼 위치들로 편향될 것이기 때문에 반도체 웨이퍼 또는 다른 타겟의 희망 영역에 도달하는 비임이 매우 순수하게 만들어질 수 있을 것이고, 그리고 희망하는 물질 이외의 주입이 회피될 수 있을 것이다. 질량 분석 장치는 원호형 통로 내에서의 자기 편향을 통해서 이온 비임 내의 여러 이온들을 편향시키기 위한 2극(dipole) 자기장을 생성하는 질량 분석 자석(들)을 채용할 수 있을 것이며, 이는 전하-대-질량 비율이 서로 상이한 이온들을 효과적으로 분리할 것이다. 질량 분석 기술은 소위 당업자에게 잘 알려져 있다.
계속적으로 단계(1106)에서, 플라즈마 전자 플러드 시스템(800)(도 8)의 방출 챔버 내에서 음극 및 다수의 양극들이 에너지화된다. 음극(810) 전류는 40 A로 설정될 수 있고, 결과적인 음극(810)의 온도는 약 2500 ℃가 되고 자기-자화는 비교적 낮을 것이다(예를 들어, 100 가우스 미만). 다수(예를 들어, 3개)의 양극(810)은 예를 들어 각각 직경이 3 mm인 양극일 수 있을 것이다. 플라즈마 챔버(816) 내의 가스는 예를 들어 크세논을 포함할 수 있고 그리고 플라즈마 전자 플러드 시스템(800)(도 8)의 플라즈마 챔버(116)(도 1) 내에서 약 5 x 10-5 내지 1 x 10-4 Torr의 부분 압력에서 작동될 수 있다.
구성요소 '810', '802' 및 '814'가 정전기적으로 바이어싱되어 방출 플라즈마의 정전기적 밀폐 및 추출 슬릿(806)을 통해서 빠져나가는 전자들의 에너지 필터링을 제공할 수 있으며; 예를 들어, 음극(810)(도 8) 및 방출 챔버 하우징(802)은 접지 전위로 바이어싱될 수 있고 그리고 양극(810)(도 1)은 100 볼트로 바이어싱될 수 있다. 음극(810)(도 8)을 빠져나가는 전자들은 영(0)의 전자-볼트 관성 운동 에너지에 접근하는 값을 가질 것이며, 그 전자들이 양극(110)(도 1)에 도달하였을 때 100 전자-볼트의 운동 에너지(100 eV)를 획득할 것이다. 만약 전자가 양극까지의 경로 중에 원자와 충돌한다면, 그 전자는 100 eV 더하기 원자의 에너지, 예를 들어 1 eV의 최대 운동 에너지를 획득할 수 있을 것이고; 그에 따라 총 101 eV의 최대 에너지를 가질 것이다. 그러한 전자 또는 100 eV를 초과하는 전체 에너지를 획득한 임의 전자가 추출 슬릿을 통해서 방출 챔버를 떠날 수 있으며, 100 eV의 에너지를 잃고 예를 들어 통상적으로 1 eV의 운동 에너지를 가지고 떠나게 된다. 단계(1106)에서, 그러한 많은 수의 전자들, 통상적으로 충돌(collisional) 전자, 열중성자화된(thermalized) 전자, 또는 2차 전자라고 지칭되는 전자들이 리본 이온 비임(202)(도 2) 내로 이러한 방식으로 전달된다. 충돌 전자들은 공작물에서의 주입에 앞서서 이온 비임(202)을 중성화하는데 특히 유용하다. 그에 따라, 방출 챔버 내에서 생성된 전자들이 세장형 슬릿을 통과하는 전자들의 세장형 밴드로서 리본 이온 비임 내로 도입될 수 있다.
양극과 음극 양자가 스퍼터링 및 증발될 수 있기 때문에, 음극 필라멘트(814)가 그라파이트를 포함할 수 있고, 예를 들어, 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 및 탄탈륨(Ta)이 선택적인 물질이 될 수 있을 것이다. 그에 따라, 음극 물질로부터 웨이퍼가 오염될 위험이 최소화될 수 있다. 양극(180)은 그라파이트, 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 등을 포함할 수 있고, 그라파이트 및 알루미늄의 양자 물질은 실리콘 웨이퍼에 대한 오염 위험이 적다.
단계(1108)에서, 하나 이상의 공작물을 이온으로 주입하기 위해서 질량 분석된 리본 이온 비임이 하나 이상의 공작물로 제공되며, 이때 방법이 종료하게 된다.
비록 특정한 특징 및 실시예들과 관련하여 도시하고 설명하였지만, 당업자는 본원 명세서 및 첨부 도면들을 참조하면 본원 발명과 균등한 변형 실시예 및 변형예들을 이해할 수 있을 것이다. 특히 전술한 구성요소들(조립체, 장치, 회로, 시스템 등)에 의해서 실시되는 여러 가지 기능과 관련하여, 그러한 구성요소들을 설명하기 위해서 사용된 용어("수단"을 포함)는, 별다른 언급이 없는 경우에, 비록 본원 명세서에서 설명된 구조와 구조적으로 균등하지 않더라도 본원 명세서에서 설명된 본원 발명의 예시적인 실시예에서의 기능을 실행하는 본원 명세서에서 설명된 구성요소의 특정 기능을 실시하는(즉, 기능적으로 균등한) 임의의 구성요소에 상응하는 것이다. 이와 관련하여, 본원 발명이 본원 발명의 여러 방법들의 단계들을 실시하기 위해서 컴퓨터-실행 가능 명령어들을 가지는 컴퓨터-판독 가능 매체를 포함한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 몇 가지 실행들 중 하나와 관련하여 본원 발명의 특별한 특징이 설명되었지만, 그러한 특징은 희망하는 바에 따라서 그리고 주어진 또는 특정 용도에 바람직한 다른 실행들의 하나 또는 그 이상의 특징들과 조합될 수 있을 것이다. 또한, "구비하는", "가지는" 이라는 용어 및 그 변형 용어들이 상세한 설명이나 특허청구범위에서 사용되는 범위 내에서, 그 용어들은 "포함한다"는 용어와 유사한 방식으로 포함한다는 것을 의미한다.
Claims (24)
- 플라즈마 전자 플러드 시스템으로서:
가스를 포함하도록 구성된 방출 챔버를 구비하는 하우징으로서, 내부에 세장형 추출 슬릿, 음극 필라멘트, 음극 조립체 및 다수의 양극을 포함하는 하우징을 포함하며;
상기 세장형 추출 슬릿은 이온 주입 시스템과 직접적으로 소통하며;
상기 음극 필라멘트는 전위차에 의해서 상기 다수의 양극으로 끌어 당겨지는 전자들을 방출하며;
방출된 전자들의 일부는, 세장형 추출 슬릿을 통해서, 이온 주입 시스템 내에서 이동하는 이온 비임을 중성화하는데 이용하기 위한 전자 밴드로서 추출되며;
상기 음극 필라멘트가 그라파이트, 텅스텐, 몰리브덴 및 탄탈륨을 포함하는 물질로 제조되고; 그리고
상기 다수의 양극이 그라파이트, 알루미늄, 텅스텐 및 몰리브덴을 포함하는 물질로 제조되는
플라즈마 전자 플러드 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 음극 필라멘트 직경이 0.5 내지 2 밀리미터이고;
상기 음극 필라멘트의 길이가 240 내지 500 밀리미터이며;
상기 다수의 양극 각각의 직경이 1 내지 10 밀리미터이고; 그리고
상기 다수의 양극 각각의 길이가 240 내지 500 밀리미터인
플라즈마 전자 플러드 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 방출 챔버가 원통형이고 그리고 30 내지 200 밀리미터의 내경을 가지는
플라즈마 전자 플러드 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 방출 챔버가 원통형이고 그리고 30 내지 200 밀리미터의 내경을 가지며;
상기 방출 챔버의 길이가 240 내지 500 밀리미터이고;
상기 추출 슬릿의 폭이 1 내지 50 밀리미터이고 길이가 200 내지 450 밀리미터인
플라즈마 전자 플러드 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 방출 챔버 내의 크세논 가스의 부분 압력이 5 x 10-5 내지 1 x 10-4 Torr이고; 그리고
상기 방출 챔버 내의 가스가 크세논, 아르곤, 또는 크세논과 아르곤의 혼합물을 포함하는
플라즈마 전자 플러드 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 음극과 하우징이 동일한 전위를 가지고 그리고 상기 양극이 상기 음극 및 하우징에 대해서 양의 전압으로 바이어싱되는
플라즈마 전자 플러드 시스템.
- 이온 주입 시스템으로서:
길이방향 경로를 따라서 이온 비임을 생성하는 이온 공급원;
질량에 따라서 달라지는 궤적으로 이온 비임의 이온들을 편향시키기 위해서 상기 경로를 가로질러 자기장을 제공하는 비임라인 시스템;
이온 비임으로 전자들을 제공하기 위한 플라즈마 전자 플러드 시스템; 그리고
단부 스테이션을 포함하며;
상기 플라즈마 전자 플러드 시스템은 다수의 양극, 음극 필라멘트, 음극 조립체 및 세장형 추출 슬릿을 포함하는 하우징 내부의 방출 챔버를 포함하며;
상기 음극 필라멘트는 전위차에 의해서 상기 다수의 양극으로 끌어 당겨지는 전자들을 방출하며, 상기 음극 필라멘트가 그라파이트, 텅스텐, 몰리브덴 및 탄탈륨을 포함하는 물질로 제조되고, 상기 다수의 양극이 그라파이트, 알루미늄, 텅스텐 및 몰리브덴을 포함하는 물질로 제조되며;
상기 세장형 추출 슬릿은 방출된 전자들의 일부를 세장형 밴드로서 이온 비임 내로 방출하며; 그리고
상기 단부 스테이션은 상기 비임라인 시스템으로부터 질량 분석된 그리고 중성화된 이온 비임을 수용하고 그리고 질량 분석된 그리고 중성화된 이온 비임을 이용한 주입을 위해서 상기 경로를 따라서 하나 이상의 공작물을 지지하는
이온 주입 시스템.
- 제 7 항에 있어서,
상기 음극 필라멘트의 직경이 0.9 밀리미터이고; 그리고
상기 양극의 직경이 3 밀리미터인
이온 주입 시스템.
- 제 7 항에 있어서,
상기 이온 비임이 폭 및 높이를 포함하는 리본 이온 비임을 구성하고;
상기 폭이 상기 높이 보다 큰
이온 주입 시스템.
- 제 7 항에 있어서,
상기 전자들의 세장형 밴드가 이온 비임의 길이를 가로질러 이온 비임 내로 제공되는
이온 주입 시스템.
- 제 7 항에 있어서,
상기 방출 챔버 내의 크세논의 부분 압력이 5 x 10-5 내지 1 x 10-4 Torr이고; 및
상기 방출 챔버 내의 가스가 크세논 및 아르곤을 포함하는
이온 주입 시스템.
- 제 7 항에 있어서,
상기 음극 필라멘트 전류가 15 내지 80 암페어인
이온 주입 시스템.
- 리본 이온 비임 내로 전자들을 도입하는 방법으로서:
음극 필라멘트와 다수의 양극을 제공하는 단계로서, 상기 음극 필라멘트가 그라파이트, 텅스텐, 몰리브덴 및 탄탈륨을 포함하는 물질로 제조되고, 상기 다수의 양극이 그라파이트, 알루미늄, 텅스텐 및 몰리브덴을 포함하는 물질로 제조되는, 음극 필라멘트와 다수의 양극을 제공하는 단계;
방출 챔버 내에서 음극 필라멘트를 에너지화(energizing)하는 단계;
상기 양극, 음극 및 방출 챔버 하우징을 바이어싱하는 단계; 그리고
세장형 추출 슬릿을 통해서 리본 이온 비임 내로 전자를 방출하는 단계를 포함하는
리본 이온 비임 내로 전자들을 도입하는 방법.
- 제 13 항에 있어서,
상기 음극 전압 및 방출 챔버 하우징 전압이 양극 전압 보다 낮은 전압으로 바이어싱되는
리본 이온 비임 내로 전자들을 도입하는 방법.
- 제 13 항에 있어서,
상기 방출 챔버가 가스를 포함하고;
상기 방출 챔버 내의 압력이 5 x 10-5 내지 1 x 10-4 Torr이고; 그리고
상기 가스가 크세논 및 아르곤을 포함하는
리본 이온 비임 내로 전자들을 도입하는 방법.
- 제 13 항에 있어서,
상기 리본 이온 비임 내로 전자들을 도입하는 방법이 타운센드 방출 모드(Townsend discharge mode)로 운전되는
리본 이온 비임 내로 전자들을 도입하는 방법.
- 제 13 항에 있어서,
음극 전류가 40 암페이이고; 그리고
상기 음극 및 방출 챔버 하우징이 주변에 대해서 -20 내지 20 볼트이며;
상기 양극 전압이 30 내지 100 볼트인
리본 이온 비임 내로 전자들을 도입하는 방법.
- 이온 주입 시스템에서 리본 이온 비임을 이용하여 공작물에 주입하는 방법으로서:
리본 이온 비임을 생성하는 단계;
상기 리본 이온 비임을 질량 분석하는 단계;
리본 이온 비임으로 전자들의 세장형 밴드를 제공하는 단계; 및
리본 이온 비임으로부터의 이온들로 하나 이상의 공작물을 주입하기 위해서 질량 분석된 리본 이온 비임을 하나 이상의 공작물로 제공하는 단계를 포함하며;
상기 전자들의 세장형 비임 밴드를 제공하는 단계가:
크세논 가스를 포함하도록 구성된 방출 챔버를 구비하고, 그리고 세장형 추출 슬릿, 음극 조립체, 음극 필라멘트 및 다수의 양극을 내부에 포함하는 하우징을 포함하는 플라즈마 전자 플러드 시스템을 제공하는 단계를 포함하고;
상기 세장형 추출 슬릿은 이온 주입 시스템과 직접적으로 소통하고;
상기 음극 필라멘트는 전위차에 의해서 상기 다수의 양극으로 끌어 당겨지는 전자들을 방출하며;
상기 음극 필라멘트가 그라파이트, 텅스텐, 몰리브덴 및 탄탈륨을 포함하는 물질로 제조되고;
상기 다수의 양극이 그라파이트, 알루미늄, 텅스텐 및 몰리브덴을 포함하는 물질로 제조되며; 그리고
상기 전자들의 세장형 밴드는, 이온 주입 시스템 내에서 이동하는 리본 이온 비임을 중성화시키는데 이용하기 위해서, 세장형 추출 슬릿을 통해서 방출되는
이온 주입 시스템에서 리본 이온 비임을 이용하여 공작물에 주입하는 방법.
- 제 18 항에 있어서,
음극 전압 및 방출 챔버 하우징 전압이 양극 전압 보다 낮은 전압으로 바이어싱되고;
상기 방출 챔버 내의 압력이 5 x 10-5 내지 1 x 10-4 Torr이고; 그리고
상기 시스템이 타운센드 방출 모드로 작동되는
이온 주입 시스템에서 리본 이온 비임을 이용하여 공작물에 주입하는 방법.
- 제 18 항에 있어서,
음극 전류가 40 암페어이고;
음극 및 방출 챔버 하우징이 영(zero) 볼트로 설정되고;
양극 전압이 100 볼트로 설정되는
이온 주입 시스템에서 리본 이온 비임을 이용하여 공작물에 주입하는 방법.
- 이온 비임을 이용하여 공작물에 주입하기 위한 이온 주입 시스템으로서:
리본 이온 비임을 생성하기 위한 수단;
리본 이온 비임을 질량 분석하기 위한 수단;
상기 질량 분석된 리본 이온 비임으로 전자들의 세장형 밴드를 제공하기 위한 수단; 그리고
리본 이온 비임으로부터의 이온들을 이용하여 공작물에 주입하기 위해서 질량 분석된 리본 이온 비임을 공작물로 제공하기 위한 수단을 포함하며;
상기 전자들의 세장형 밴드를 제공하기 위한 수단이:
하나 이상의 가스를 포함하도록 구성된 세장형 전자 슬릿, 음극 조립체, 음극 필라멘트 및 다수의 양극을 내부에 구비하는 방출 챔버를 제공하며;
상기 세장형 추출 슬릿은 이온 주입 시스템과 직접적으로 소통하고;
상기 음극 필라멘트는 전위차를 통해서 상기 다수의 양극으로 끌어 당겨지는 전자들을 방출하며;
음극 전압 및 방출 챔버 하우징 전압은 양극 전압 보다 낮은 전압으로 바이어싱되며;
상기 음극 필라멘트가 그라파이트, 텅스텐, 몰리브덴 및 탄탈륨을 포함하는 물질로 제조되고;
상기 다수의 양극이 그라파이트, 알루미늄, 텅스텐 및 몰리브덴을 포함하는 물질로 제조되며;
상기 방출 챔버 내의 압력이 5 x 10-5 내지 1 x 10-4 Torr이고; 그리고
상기 시스템이 타운센드 방출 모드로 작동되는
이온 비임을 이용하여 공작물에 주입하기 위한 이온 주입 시스템.
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