KR101509312B1 - 탄소 주입 동안 이온 소스 수명의 연장 및 이온 소스 성능의 개선을 위한 조성물 - Google Patents

탄소 주입 동안 이온 소스 수명의 연장 및 이온 소스 성능의 개선을 위한 조성물 Download PDF

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Abstract

탄소 주입 동안 이온 소스 수명의 연장 및 이온 소스 성능의 개선을 위한 신규한 방법 및 시스템이 제공된다. 구체적으로, 탄소 이온 주입 공정은 x≥1 및 y≥1인 화학식 CxFy로 표현되는 탄소를 갖는 1종 이상의 불소 함유 기체 및 일산화탄소를 포함하는 도펀트 기체 혼합물을 활용하는 단계를 포함한다. 탄소를 갖는 적어도 1종의 불소 함유 기체는 도펀트 기체 혼합물의 부피 기준 약 3 내지 12 부피 퍼센트(vol%)로 혼합물에 포함된다. 불소 이온, 라디칼 또는 이들의 조합은 이온화된 도펀트 기체 혼합물로부터 방출되고 반사 전극, 추출 전극 및 챔버의 표면 중 적어도 하나를 따라 탄소로부터 실질적으로 유래한 침착물과 반응하여 침착물의 총량을 감소시킨다. 이러한 방식으로, 단일 도펀트 기체 혼합물은 탄소 이온을 제공할 수 있고 탄소 주입 동안 전형적으로 부딪히는 넓은 범위의 문제인 침착물을 제거하여 없앨 수 있다.

Description

탄소 주입 동안 이온 소스 수명의 연장 및 이온 소스 성능의 개선을 위한 조성물{COMPOSITIONS FOR EXTENDING ION SOURCE LIFE AND IMPROVING ION SOURCE PERFORMANCE DURING CARBON IMPLANTATION}
본 발명은 탄소 주입(carbon implantation) 동안 이온 소스(ion source) 수명의 연장 및 이온 소스 성능의 개선을 위한 신규한 기체 조성물에 관한 것이다.
이온 주입은 반도체/마이크로전자소자 제조에서 중요한 공정이다. 이온 주입 공정은 집적 회로 제조에서 반도체 웨이퍼로 제어된 양의 도펀트 이온(dopant ions)을 도입하기 위해 사용된다. 이온 소스는 도펀트 기체로부터 다양한 이온 종(ion species)에 대해 잘 규정된(well-defined) 이온 빔을 생성하기 위해 사용된다. 도펀트 기체의 이온화는 주어진 워크피스(workpiece)로 차후에 주입될 수 있는 이온 종을 생성한다.
탄소는 반도체 산업에서 코-도펀트(co-dopants)의 확산을 억제하거나 도핑된 영역의 안정성을 향상시키는 것과 같은 다양한 물질 개질 응용을 위해 널리 사용되는 도펀트로서 떠올랐다. 이 점에서, 이산화탄소(CO2) 및 일산화탄소(CO)는 탄소 주입을 위해 보편적으로 사용되는 두 가지 도펀트 기체 소스이다. 그렇지만, CO2 및 CO의 경우 이온 챔버(ion chamber)의 표면을 따라 침착물(deposits)이 축적되는 경향이 있다. 추가적인 침착물이 이온 소스 기기(ion source apparatus)의 전극 표면을 따라 형성될 수 있다. 침착물은 도펀트 기체로부터 또는 도펀트 기체 및/또는 도펀트 기체의 이온화 산물(ionization product)과 챔버 구성요소와의 상호작용으로부터 직접적으로 형성될 수 있다.
이러한 침착물 형성이 문제이다. 이온 주입 시스템의 전극 표면을 따라 존재하는 침착물은 고전압 방전이 왕성하게 일어나기 쉬운 상태를 만든다. 전압 방전은 빔 전류의 순간적인 강하(drops)를 초래하는데, 이는 보편적으로 "빔 글리칭(beam glitching)"으로 불린다. 추출 개구(extraction aperture) 상의 침착물은 빔 균일성을 저하시키고 이런 이유로 도핑된 영역 내의 도펀트 레벨 균일성을 저하시킨다. 이온 소스의 작동 동안 빔 글리치의 개수(즉, 글리치율(glitch rate)) 및 빔 균일성은, 예컨대, 본 기술분야에서 보편적으로 알려진 리본 빔 이온 주입 시스템(ribbon beam ion implantation system)과 같은, 이온 주입 시스템의 성능에 대한 주요 지표일 수 있다.
공정 민감도에 기초하여, 주입 공정이 허용가능한 효율로 작동될 수 없는 글리치율 및/또는 빔 비균일성에 대한 상한 임계값이 있을 수 있다. 상한 임계값 초과로 이온 소스 성능이 저하되는 경우, 사용자는 주입 공정을 중단하고 유지보수를 수행하거나 이온 소스를 교체해야 한다. 이러한 다운타임(downtime)은 이온 주입 시스템의 생산성 손실을 초래한다. 따라서, 효율적인 주입 공정을 수행하기 위해 연장된 더 오랜 기간 동안 이온 소스의 적절한 기능을 유지하는 것이 요구된다.
본 발명의 기타 장점들과 함께, 후술하는 바와 같이, 이온 주입 공정 동안 침착물 및 빔 글리칭을 최소화하기 위한 개선된 방법 및 시스템이 요구된다.
부분적으로, 본 발명은 이온 소스 수명의 연장 및 이온 소스 성능의 개선을 위한 조성물에 관한 것이다. 활용된 도펀트 기체의 조성물(composition)은 이온 기기 내의 침착물의 축적을 감소시키고 이온 소스 성능을 개선하는 기능에 있어 중요한 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다.
일산화탄소의 제1 탄소 기반 종(carbon-based species) 및 유효량(effective amount)의 화학식 CxFy로 표현되고 탄소를 갖는 불소 함유 기체(fluorine-containing gas)의 제2 탄소 기반 종을 포함하는 도펀트 기체 혼합물의 활용은, 탄소 주입 공정 동안 탄소 기반 침착물을 감소시키고 텅스텐 재성장(regrowth) 및 산화물 침착물을 사실상 제거하는 것이 밝혀졌다. 그 결과, 이온 소스의 수명이 연장된다. 추가적으로, 통상적인 이온 주입 공정 및 시스템과 비교하여 이온 빔의 글리칭이 유의하게(significantly) 감소된다. 생성된 빔 전류가 충분히 높은 레벨로 유지되어 목적하는 투여량의 이온화된 도펀트 기체의 주입을 달성할 수 있다.
제1 양태에서, 일산화탄소 및 x≥1 및 y≥1인 화학식 CxFy로 표현되는 탄소를 갖는 1종 이상의 불소 함유 기체를 포함하는 기체 혼합물을 포함하고, 여기서 탄소를 갖는 불소 함유 기체는 기체 혼합물의 부피를 기준으로 약 1 내지 20 부피 퍼센트(vol%)의 유효량을 가지는, 기체 조성물이 제공된다.
제2 양태에서, 일산화탄소의 제1 탄소 기반 종 및 x≥1 및 y≥1인 화학식 CxFy로 표현되는 탄소를 갖는 불소 함유 기체의 제2 탄소 기반 종을 포함한다. 제1 및 제2 탄소 기반 종은 각각 유효량으로 포함되어, 제1 탄소 기반 종 및 제2 탄소 기반 종의 적어도 일부분이 이온화되어 탄소 이온을 생성한다.
유리하게는, 본 발명의 시스템은 상업적으로 입수가능하고, 따라서, 시스템의 사용 방법 및 시스템의 전체 어셈블리(assembly)를 가능화 및 단순화할 수 있는 시스템 구성요소를 활용하여 구축될 수 있다. 이온 주입 공정의 양태는 표준 기술 또는 장비를 사용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 목적 및 장점은 명세서에 걸쳐 유사 번호가 동일한 특징을 나타내는 첨부된 도면과 관련하여 발명의 바람직한 실시예들의 다음 상세한 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 원리를 도입한 이온 소스 기기를 도시.
도 2는 CO2 기반 도펀트 기체 혼합물을 활용한 이온화 테스트의 결과를 도시; 및
도 3은 CO 도펀트 기체를 활용한 이온화 테스트의 결과를 도시;
도 4는 CO 및 10%의 CF4를 함유한 도펀트 기체 혼합물을 활용한 이온화 테스트의 결과를 도시;
도 5는 도 1의 이온 소스 기기 내에서 CO 도펀트 기체를 활용한 이온화 테스트의 결과를 도시;
도 6a 및 6b는 도 1의 이온 소스 기기 내에서 CO 및 5%의 CF4를 함유한 도펀트 기체 혼합물을 활용한 이온화 테스트의 결과를 도시;
도 7a 및 7b는 도 1의 이온 소스 기기 내에서 CO 및 10%의 CF4를 함유한 도펀트 기체 혼합물을 활용한 이온화 테스트의 결과를 도시; 및
도 8a 및 8b는 도 1의 이온 소스 기기 내에서 CO 및 15%의 CF4를 함유한 도펀트 기체 혼합물을 활용한 이온화 테스트의 결과를 도시.
본 명세서에서 사용되는, 모든 농도는 부피 퍼센트로서 표현된다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 원리에 따른 예시적인 이온 소스 기기(100)가 도시된다. 도 1에 도시된 이온 소스 기기(100)는 도펀트 기체 혼합물을 위한 이온화 소스로서 역할을 하는 간접 가열 캐소드(indirectly heated cathode, IHC)(115)를 비롯한, 다양한 구성요소를 가진다. 예컨대, 프리먼 소스(Freeman sources), 버나스 소스(Bernas sources) 및 RF 플라즈마 소스(RF plasma sources)를 비롯한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 알려진 이온 소스의 기타 유형이 본 발명에서 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 바람직하게는 도 1의 이온 소스 기기(100)가 반도체 기판에 주입하기 위한 탄소 이온의 생성에 사용된다. 설명될 바와 같이, 본 발명은 기기(100) 표면상의 탄소 기반 및 산화물 기반 침착물의 양을 유의하게 감소시킴으로써 통상적인 탄소 도펀트 주입 시스템에 비해 이온 소스 수명이 연장되도록 한다. 본 명세서에서 사용되는 "탄소 기반 침착물"이라는 용어는 탄소 원소, 텅스텐 탄화물, 및 탄소를 함유한 기타 침착물을 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 "산화물 기반 침착물"이라는 용어는, 예컨대, 텅스텐 산화물(WOx)과 같은, 다양한 이온 챔버 구성요소의 산화를 포함한다. 나아가, 본 발명은 유리하게는 기기(100) 표면상의 텅스텐 원소(W) 재성장을 제거한다. 추가적으로, 탄소 이온 주입을 위해 생성된 통상적인 이온 빔 소스에 비해 더 균일한 빔 전류 및 빔 글리치율의 감소의 측면에서 이온 소스의 전체적인 성능이 개선된다.
도 1을 참조하면, 도펀트 기체 혼합물(102)이 아크 챔버 벽(arc chamber wall, 111)을 통해 연장된 기체 공급 라인(gas feed line, 113)을 통해 이온 소스 챔버(112)로 도입된다. 본 명세서에 사용된 "도펀트 기체 혼합물"이라는 용어는 도펀트 기체 혼합물의 각 종이 주어진 워크피스로 목적하는 이온 종의 주입에 기여한다는 것을 의미한다. 바람직한 실시예에서, 도펀트 기체 혼합물(102)은 두 개의 탄소 기반 종을 포함하는 탄소 도펀트 기체 혼합물이다. 제1 탄소 기반 종은 CO이다. 제2 탄소 기반 종은 탄소를 갖는 불소 함유 기체이다. 챔버(112) 내의 탄소 도펀트 기체 혼합물(102)은 전원 소스(도시되지 않음)로부터 예정된 전압을 인가하여 IHC(115)에 근접하여 위치한 필라멘트(114)를 저항식으로(resistively) 가열함으로써 이온화된다. 필라멘트(114)는 IHC(115)에 대해 네거티브 바이어스될(negatively biased) 수 있다. 절연체(118)는 IHC(115)를 아크 챔버 벽(111)으로부터 전기적 및 열적으로 절연시킨다. 필라멘트(114)로부터 방출된 전자는 IHC(115)쪽으로 가속되어 IHC(115)를 자체 열이온 방출 온도까지 가열한다. 캐소드(115)에 의해 방출된 전자는 가속되어 아크 챔버(112) 쪽으로 이동해서 그곳에 위치한 탄소 도펀트 기체 혼합물(102)을 이온화한다. 탄소 도펀트 기체 혼합물(102)의 이온화된 기체 분자는 플라즈마 환경을 생성한다. 반사 전극(repeller electrodes, 116)은 IHC(115)의 정반대에 위치되어 플라즈마 환경을 조절하고 챔버(112) 내의 도펀트 기체 혼합물(102)의 이온화를 제어한다. 탄소 도펀트 기체 혼합물(102)의 이온화는 불소를 불소 음이온, 양이온, 라디칼 또는 이들의 조합 중 하나로서 방출시키며, 이어서 이들은 벽(111), 필라멘트(114), 억제 전극(suppression electrodes, 119), 접지 전극(ground electrodes, 120) 및/또는 반사 전극(116)의 표면상에 축적될 수 있는 임의의 탄소 침착물을 에칭(etching)함으로써 동일계(in-situ) 반응할 수 있다. 이러한 침착물은 휘발성 불화 탄소로 전환됨으로써, 다양한 표면을 따라 존재하는 탄소 기반 침착물의 총 축적량을 감소시킨다. 추가적으로, 불소 이온 및 라디칼은 기체상(gas phase)으로 존재하고 도펀트 기체 혼합물의 이온화로부터 형성되는 탄소 이온 및 탄소 라디칼과 동시에 재결합할 수 있다. 그 결과, 챔버(112) 내에서 추가 탄소 기반 침착이 방지된다. 최종적인 결과로서 이온 소스 기기(100)의 표면을 따라 존재하는 탄소 기반 침착물의 유의한 감소를 가져온다.
위에서 설명된 탄소를 갖는 불소 함유 기체의 소거 효과(scavenging effects)에 더하여, 이온화 시 도펀트 기체 혼합물의 각 종은 생성된 탄소 이온 빔(resultant carbon ion beam)의 일부분을 형성하는 탄소 이온을 생성한다. 이러한 방식으로, 종래기술과는 달리, 본 발명은 도펀트 기체 혼합물을 이중 목적으로 활용하여 침착물의 동일계 자가 세정(self-cleaning) 및 특정 유형의 침착물(즉, W 재성장 및 산화물 기반 침착물)의 방지가 동시에 가능하면서, 도펀트 기체 혼합물의 각 종이 주입을 위한 탄소 이온의 소스를 제공한다.
이온 소스 챔버(112)로부터 목적하는 에너지의 탄소 이온 빔 형태로 탄소 이온이 추출된다. 추출 전극에 걸쳐 고전압을 인가함으로써 적합한 추출법이 수행될 수 있는데, 추출 전극은 억제 전극(119) 및 접지 전극(120)으로 구성된다. 도 1에서 도시된 바와 같이, 이러한 억제 전극 및 접지 전극(119 및 120) 각각은, 아크 챔버(112)로부터 추출된 이온 빔(121)을 잘 규정시키도록 보장하기 위해 추출 개구(117)와 정렬된 개구를 각각 가진다. 생성된 이온 빔(121)은 워크피스에 주입될 특정 질량 이온을 선택하기 위해서 질량 분석기/필터를 통해 이동될 수 있다. 그런 다음 이온 빔(121)은 워크피스 표면에 탄소 이온을 주입하기 위해, 반도체 웨이퍼와 같은, 워크피스 표면으로 이동될 수 있다. 빔(121)의 탄소 이온은 반도체 웨이퍼의 표면을 침투하여 목적하는 전기적 및/또는 물리적 특성을 가진 특정 깊이의 도핑된 영역을 형성한다.
출원인은 CO2에 비해 CO가 유리함을 인식했다. 도펀트 기체 혼합물(102)의 CO 종은 이온 소스 챔버(112) 환경 내의 환원 기체로서 작용한다. 반면에, CO2는 텅스텐 챔버 구성요소를 산화시켜 WOx 침착물을 형성하는 경향을 가진 산화 기체로서 작용한다. 이러한 WOx 침착물은 기기(100)의 반사 전극(116), 캐소드 전극(115) 및/또는 추출 어셈블리(즉, 억제 전극(119) 및 접지 전극(120))의 영역 내에서 전형적으로 발견된다. WOx 침착물은 사실상 전도성일 수 있고 이온 소스 글리칭뿐만 아니라 전기적 단락(shorting)도 일으킬 수 있다. 문제를 더 악화시키는 것은, WOx 침착물이 이온 빔 라인 내에서 입자(particles)를 생성한다는 것이다. 추가적으로, W 라이너(W liner) 또는 기타 W 구성요소상 WOx 형성은 전기적 특성을 저하시킬 수 있고, 따라서 안정한 플라즈마를 유지하기 위해 고전압을 필요로 한다.
CO는 이러한 공정의 문제를 해결한다. CO 종의 환원 특성은 챔버(112) 내에 산화물층 침착물의 형성에 좋지 않은 환경을 생성하여 이온 소스 기기(100)의 표면을 따라 존재하는 임의의 산화물층 형성의 검출을 제거한다. CO2와 비교하여 CO의 산소 함량 부족이 WOx 침착물의 축적을 감소시키지만, 많은 양의 탄소 및 텅스텐 탄화물 침착물이 형성되기 때문에 CO 단독으로는 탄소 이온 주입을 위한 적합한 도펀트 기체 소스가 아니다. 구체적으로, C 침착물은 CO의 플라즈마 분해 결과로 형성되지만, WC 침착물은 CO 및 그의 플라즈마 분해 산물과 W 챔버 구성요소의 상호작용으로 인해 형성될 수 있다.
CO 단독으로부터 생성된 탄소 기반 침착물을 감소시키기 위해, 출원인은 탄소를 갖는 불소 함유 기체와 조합된 CO 도펀트 기체 혼합물이 CO 단독으로 사용될 때 관찰되는 탄소 침착물을 매우 유의하게 감소시키는 것을 확인했다. 바람직한 실시예에서, 불소 함유 기체는 산소를 함유하지 않는 사불화 탄소(CF4)이다. 다른 실시예에서, 불소 함유 기체는 산소를 함유하지 않는 히드로플루오로카본일 수 있다.
또 다른 실시예에서, a≥2 및 b≥2인 화학식 CaFb의 고차 플루오로카본과 혼합된 CO도 또한 도펀트 기체 혼합물의 형성에 사용될 수 있다는 것이 고려된다. 적합한 불소 함유 기체의 고차 플루오로카본의 예는 C2F6, C2F4, C3F8 및 C4F8을 포함할 수 있지만 열거된 예로 제한되지 않는다.
산화물층 성장을 제거하고 더 긴 이온 소스 수명, 더 낮은 빔 글리치율 및 균일한 빔 전류를 유지하려는 목적으로, 불소 함유 기체와 일산화탄소의 조합은 전체 도펀트 기체 혼합물을 구성하고 특히 추가적인 산소의 혼합을 배제한다.
나아가, 목적하는 탄소 주입 성능을 달성하기 위해 본 발명의 도펀트 기체 혼합물 내의 불소 함유 기체의 농도를 좁은 범위로 유지하는 것이 필요하다고 출원인은 밝혔다. 도펀트 기체 혼합물 내 불소 함유 기체의 농도는, 도펀트 기체 혼합물의 부피를 기준으로, 약 1% 내지 약 20%이고, 바람직하게는 약 3% 내지 약 13%, 그리고 더 바람직하게는 약 5% 내지 약 10% 사이이다. 불소 함유 기체가 하한값 미만인 경우, 탄소 침착은 이온 소스 수명을 심각하게 단축시키는 수용불가능한 높은 레벨로 증가하는 경향이 있다. 반면에, 불소 함유 기체가 상한값 초과인 경우, 불소는 텅스텐으로 형성된 챔버 구성요소와 상호작용하는 경향을 가지므로, 휘발성 불화 텅스텐(예컨대, x = 1 내지 6인, WFx)가 형성되어 그 후 이온 소스 내의 뜨거운 표면으로 이동하게 되어, 거기서 텅스텐 원소(W)로서 재침착되어 잠재적으로 이온 소스의 조기 고장을 일으킬 수 있게 된다. 특정 조성 범위의 불소 함유 기체를 갖는 도펀트 기체 혼합물로 이온 소스 기기(100)를 작동하는 것은 예기치 않게, 탄소로부터 유래한 챔버 표면상의 침착물의 양을 감소시키지만 텅스텐 재침전이 발생하는 경향이 있는 상한값을 초과하지 않도록 충분한 양의 불소를 제공한다.
따라서, 특정 농도 범위 내에서 불소 함유 기체와 CO의 조합은, 충분한 빔 전류를 갖는 탄소 이온 빔을 생성할 탄소 이온을 각각 제공하는 CO와 불소 함유 기체의 기능을 희생시키지 않으면서, 챔버(112)의 표면상의 문제인 침착물의 넓은 분포(array)를 최소화할 수 있는 개선된 도펀트 기체 혼합물을 생성한다. 특정 농도 범위 내의 도펀트 기체 혼합물은 침착을 감소시키지만 생산성 요건에 부합하도록 요구된 이온 빔 전류를 유지할 수 있는 신규한 하이브리드 조성물이다.
이제 설명될 바와 같이, 출원인은 기타 도펀트 기체 물질과 본 발명의 도펀트 기체 혼합물을 비교하기 위해 몇몇 실험을 수행했다.
비교예 1
CO2로 구성된 도펀트 기체가 탄소 이온의 빔을 생성하는 성능을 평가하기 위해 이온화 테스트가 수행되었다. 이온화 공정은 이온와 챔버 내의 WOx 침착물의 축적으로 인해 짧은 작동 기간 후 중단할 필요가 있었다. 도 2는 이온화 챔버 내에 형성된 침착물의 정도를 나타내는, 이온 소스 챔버 내에 배치된 기판상에 형성된 침착물을 도시한다. 기판 플레이트 상의 침착물은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 알려진 X-선 분광법(x-ray spectroscopy) 기술을 활용하여 분석되었다. WOx 침착물은 사실상 플레이크(flaky) 형상이었다. 소스 챔버 내의 텅스텐(W) 구성요소의 산화를 유발하여 텅스텐 산화물(WOx) 침착물을 생성하는 CO2 플라즈마의 산화 특성은 과도한 잔류물 형성 및 짧은 이온 소스 수명이라는 결과를 낳았다.
비교예 2
순수 CO로 구성된 도펀트 기체가 탄소 이온의 빔을 생성하는 성능을 평가하기 위해 이온화 테스트가 수행되었다. WOx 침착물은 검출되지 않았지만, 도펀트 기체 소스로서 순수 CO를 활용하는 것은 이온 소스의 작동 동안 중탄소(C) 침착물 및 텅스텐 탄화물(WC) 침착물의 형성을 초래한다는 것이 관찰되었다(도 3). 침착물은 X선 분광법에 의해 분석되었다. 관찰된 C 및 WC 침착물은 이온 빔의 글리칭을 일으켜서, 이온화 공정 동안 불안정한 빔 전류를 초래하였으므로, 이온화 공정을 중단할 필요가 있었다. C 침착물은 CO의 플라즈마 분해의 결과였고, WC 침착물은 CO 및 그의 플라즈마 분해 산물과 텅스텐 챔버 구성요소의 상호작용의 결과라고 판단되었다. C/WC 침착물의 효과는 WOx와 유사했고 그 결과, CO 기반 도펀트 기체는 CO2 기반 도펀트 기체 혼합물과 유사한 짧은 이온 소스 수명의 문제가 있었다.
실시예 3
위의 테스트에 대해 수행된 같은 이온 소스 챔버를 활용하여 CO 및 부피 기준 10% CF4로 구성된 도펀트 기체가 탄소 이온의 빔을 생성하는 성능을 평가하기 위해 이온화 테스트가 수행되었다. 기판 플레이트 주위의 덜 어두운 침착물 고리로서 나타난 바와 같이, 기판 플레이트의 표면을 따라 관찰되는 침착물의 양은 순수 CO 또는 CO2 기반 도펀트 기체를 활용할 때 형성되는 침착물보다 실질적으로 더 적었다. CO + 10% CF4를 활용하는 것은 임의의 산화물 침착물, 탄소 침착물, 텅스텐 탄화물 침착물 또는 텅스텐 산화물 침착물의 유의한 축적을 일으키지 않는 것으로 관찰되었다(도 4). X선 분광법에 의한 침착물의 분석은 일부 탄소 침착을 나타냈지만, 이온 빔 글리칭이 발생할 정도까지는 아니었다.
위 비교예 및 실시예 1 내지 3의 테스트는 CO + 10% CF4가 CO 단독 또는 CO2 기반 도펀트 기체 혼합물보다 더 나은 성능을 가졌다는 것을 보여준다. 이하 도시된 다음 일련의 테스트는 도펀트 기체 혼합물의 다양한 CF4 농도 레벨 및 나머지 CO를 비교했다.
실시예 4
기준을 설정하고 비교예 2에서 얻어진 결과를 확인하기 위한 목적으로, CO로 구성되지만 CF4를 포함하지는 않는 도펀트 기체가 탄소 이온의 빔을 생성하는 성능을 평가하기 위해 이온화 테스트가 수행되었다. 활용된 이온 소스 기기는 도 1에 도시된 것과 유사했다. CO 도펀트 기체가 이온 소스 기기에 도입되었다. 전압이 이온 소스 IHC에 인가되어 CO를 이온화시켰다. 이온화 공정 동안, 다량의 C 및 WC 침착물이 도 5에서 도시된 바와 같이 억제 전극의 표면을 따라 관찰되었다.
실시예 5
도 1의 이온 소스 기기(100)에서 CO를 사용할 때를 기준으로 설정하면서, CO + 5% CF4의 도펀트 기체 혼합물을 사용하여 이온화 테스트가 수행되었다. 도펀트 기체 혼합물의 이온화 동안, 도 6a에서 도시된 바와 같이, 비교적 소량의 탄소 기반 침착물(C 및 WC)이 억제 전극의 표면을 따라 관찰되었다. 도 6b에 도시된 반사 전극의 표면을 따라 휘스커형 구조(whisker-like structure)의 부재가 명백한 것처럼, 사실상 어떤 W 재성장도 반사 전극을 따라 관찰되지 않았다.
실시예 6
도 1의 이온 빔 기기를 활용하여 CO 및 부피 기준 10% CF4로 구성된 도펀트 기체 혼합물의 탄소 이온의 빔을 생성하는 성능을 평가하기 위해 이온화 테스트가 수행되었다. 도펀트 기체 혼합물의 이온화 동안, 도 7a에서 도시된 바와 같이, 비교적 소량의 탄소 기반 침착물(C 및 WC)이 억제 전극의 표면을 따라 관찰되었다. C 및 WC 침착물의 양은 도 6a의 그것과 비슷하다. 도 7b에서 도시된 바와 같이, 반사 전극의 표면을 따라 일부 W 휘스커형 구조가 관찰되었다.
실시예 7
도펀트 기체 혼합물로서 CO + 15% CF4를 활용하여, 다른 이온화 테스트가 수행되었다. 억제 전극의 표면을 따라 C 및 WC 침착물의 양이 도 8a에 도시된다. 관찰된 C 및 WC 침착물의 양은 실시예 5에서의 CO + 5% CF4를 이온화할 때와 예 6에서의 CO + 10% CF4를 이온화할 때의 그것과 비슷하다. 그렇지만, 도 8b에서 도시된 바와 같이, 이전의 테스트에 비교해서 반사 전극의 표면을 따라 관찰된 W 재성장의 양이 유의하게 많았다.
실시예 4 내지 7의 위 테스트는 증가된 양의 CF4를 함유한 도펀트 기체 혼합물이 C, WC 및 W 침착의 양을 필연적으로 최소화하지는 않을 것이라는 것을 나타낸다. 실험들은 도펀트 기체 혼합물 내의 CF4의 농도에 상한값이 있다는 것을 밝혀준다. 구체적으로, 도 8b에서 도시된 바와 같이, 15% CF4를 추가한 도펀트 기체 혼합물은 반사 전극 상의 과도한 W 재성장을 초래한다는 것을, 실시예들은 나타낸다. 과도한 W 침착은 이온 소스 성능에 불리한 영향을 주고 짧은 이온 소스 수명을 초래한다. 따라서, 침착물의 형성을 최소화하는 CF4의 농도 범위가 있는 것으로 보인다.
충분히 높은 빔 전류로서 측정되는 적절한 이온 빔 성능은, 도펀트 기체 혼합물이 나타내야 하는 다른 설계 속성이다. 감소된 빔 전류는 이온 소스 기기가 더 강력하게 작동(run)할 것을 요구한다(즉, 더 큰 전력 소비 요건을 활용). 그 결과, 워크피스는 워크피스에 주입되는 필요한 도펀트 투입량을 달성하기 위해 더 오래 처리되어야 할 필요가 있다. 더 긴 처리 시간 및 높은 전력 소비 요건은, 이온소스가 더 빠르게 성능 저하되는 경향에 더하여, 실질적으로 더 적은 빔 장비의 생산성을 의미할 수 있다. 나아가, 주어진 도펀트 기체가 더 높은 빔 전류를 생성할 수 있을지라도, 도펀트 기체는 더 긴 처리 시간으로 인해 침착물이 더 많이 축적되는 경향이 있을 수 있어서, 이온 소스가 더 빈번한 빔 글리칭 및/또는 빔 전류의 비균일성을 일으키게 된다. 예컨대, CO 단독은 비교적 높은 빔 전류를 생성할 수 있지만, 많은 양의 탄소 및 텅스텐 탄화물 침착물을 침착하는 경향을 가져서 목적하는 워크피스 생산성이 절대 실현되지 않을 정도로 이온 소스 수명이 심각하게 단축되게 된다. 따라서, 목적하는 도펀트 투입량을 달성하고 수용가능한 생산성을 유지하기 위해 이온 주입 공정 동안 침착을 최소화하면서, 도펀트 기체 혼합물은 충분히 높고 균일한 빔 전류를 생성하고 유지할 수 있어야 한다.
본 발명에서, CxFy가 최적의 농도 범위에 있을 때, CO 및 x≥1 및 y≥1인 화학식 CxFy로 표현되는 제2 탄소 기반 종을 포함하는 도펀트 기체 혼합물을 이온 소스 챔버 내에 도입하는 것은, 이온 소스 성능과 이온 소스 수명의 필요한 밸런스가 달성되도록 함을 발견하였다. 일반적으로 말하면, 너무 높은 레벨의 탄소를 갖는 불소 함유 종(즉, CxFy)은 수용할 수 없이 낮은 이온 빔 전류 레벨을 초래하고, 너무 낮은 레벨의 CxFy 종은 다량의 탄소 및 텅스텐 침착을 초래해서 이온 소스 수명이 나빠진다. 약 3 내지 12의 부피 퍼센트(vol%)인 특정 범위의 CxFy가 통상적인 탄소 이온 주입 공정과 비교하여 충분한 이온 소스 수명 및 개선된 이온 소스 성능을 달성한다.
CO는 목적하는 도펀트 기체 혼합물을 달성하기 위해 1종 초과의 불소 함유 C 기체와 혼합될 수 있다는 것 또한 알게 된다. 불소 함유 C 기체는 CF4, C2F6, C2F4, C2F2, C4F8에서 선택될 수 있지만 열거된 예로 제한되지 않는다.
본 발명의 기체 조성물은 다른 응용을 가진다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들면, 기체 조성물은 박막(thin film) 탄소층의 침전을 일으키기 위해 기체 혼합물 화학양론을 변경시키기에 적합한 공정 조건 하의 화학 기상 증착(chemical vapor deposition) 또는 원자층 증착 공정(atomic layer deposition processes)에서 활용될 수 있다. 또는, 기체 조성물은 또한 산화 금속층을 금속층으로 환원시키기 위해 활용될 수 있다. 예를 들어, 텅스텐 산화물은 텅스텐 산화물을 금속 텅스텐층으로 환원시키기 위해 CO+CF4 환경에서 어닐링될(annealed) 수 있다. CO는 텅스텐 산화물층으로부터 산소를 추출하는 환원 기체로서 작용하고, 그렇게 함으로써 텅스텐 산화물을 텅스텐 원소로 환원시킨다. 추가적으로, CF4의 존재는 텅스텐 산화물층을 잠재적으로 플루오르화함으로써 텅스텐 산화물이 텅스텐 원소로 환원되는 것을 가속화할 수 있고, 그렇게 함으로써 그의 제거율을 향상시킨다. 최종적인 결과로서 텅스텐 산화물을 더 빨리 순수 텅스텐층으로 되돌리는 기능을 가져온다.
본 발명의 특정 실시예들로 고려되는 것이 설명되고 도시되어 있지만, 물론, 형태 및 세부사항에서 다양한 수정 및 변화가 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 쉽게 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에서 도시되고 설명된 형태 및 세부사항 그대로 제한되는 것이 아니며, 본 명세서에 개시되고 다음 청구항에서 주장되는 본 발명의 전체 범위보다 더 적은 어떤 것으로도 제한되지 않는 것으로 의도된다.

Claims (15)

  1. 이온 소스 기기 내에 일산화탄소 및 x≥1 및 y≥1인 CxFy의 화학식으로서 표현되는 탄소를 갖는 1종 이상의 불소 함유 기체(fluorine-containing gases)를 포함하는 도펀트 기체 혼합물을 포함하고;
    상기 도펀트 기체 혼합물은 추가적인 산소가 없는 것을 특징으로 하고,
    상기 탄소를 갖는 1종 이상의 불소 함유 기체는 기체 혼합물의 부피를 기준으로 1 내지 20 부피 퍼센트(vol%)의 유효량(effective amount)을 가지고,
    상기 도펀트 기체 혼합물은 탄소 주입 동안 탄소 기반 침착물(carbon-based deposit) 및 산소 기반 침착물(oxide-based deposit)을 감소시키기 위해 탄소 이온을 방출하여 탄소 이온 빔을 생성시키는 것인,
    탄소 주입 시스템 용도의 기체 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄소를 갖는 1종 이상의 불소 함유 기체 중 적어도 1종은 상기 기체 혼합물의 부피를 기준으로 3 내지 15% 부피의 유효량을 가지는, 탄소 주입 시스템 용도의 기체 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 탄소를 갖는 1종 이상의 불소 함유 기체 중 적어도 1종은 상기 기체 혼합물의 부피를 기준으로 5 내지 10% 부피의 유효량을 가지는, 탄소 주입 시스템 용도의 기체 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 탄소를 갖는 1종 이상의 불소 함유 기체는 C2F6, CF4, C4F8, C2F4 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는, 탄소 주입 시스템 용도의 기체 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 탄소를 갖는 1종 이상의 불소 함유 기체는 상기 기체 혼합물의 부피를 기준으로 3 내지 10% 부피의 유효량을 가지는 CF4인, 탄소 주입 시스템 용도의 기체 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 탄소를 갖는 1종 이상의 불소 함유 기체는 상기 기체 혼합물의 부피를 기준으로 3 내지 10% 부피의 유효량을 가지는 C2F6인, 탄소 주입 시스템 용도의 기체 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 탄소를 갖는 1종 이상의 불소 함유 기체는 상기 기체 혼합물의 부피를 기준으로 5 내지 10% 부피의 유효량을 가지는 C2F6인, 탄소 주입 시스템 용도의 기체 조성물.
  8. 제1항에 있어서, 상기 탄소를 갖는 1종 이상의 불소 함유 기체는 C2F6, CF4, C4F8, C2F4 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되고, 추가로 상기 불소 함유 기체는 상기 기체 혼합물의 부피를 기준으로 3 내지 15% 부피의 유효량을 포함하는, 탄소 주입 시스템 용도의 기체 조성물.
  9. 제1항에 있어서, x = 1 내지 6이고 y = 1 내지 10인, 탄소 주입 시스템 용도의 기체 조성물.
  10. 이온 소스 기기 내에 일산화탄소의 제1 탄소 기반 종(carbon-based species) 및 x≥1 및 y≥1인 CxFy의 화학식으로서 표현되는 탄소를 갖는 불소 함유 기체의 제2 탄소 기반 종을 포함하는 도펀트 기체 혼합물을 포함하고, 상기 제1 및 제2 탄소 기반 종은 각각 유효량으로 포함되어 상기 제1 탄소 기반 종 및 상기 제2 탄소 기반 종의 적어도 일부분을 이온화하여 탄소 이온을 생성하고, 상기 도펀트 기체 혼합물은 추가적인 산소가 없는 것을 특징으로 하고,
    상기 도펀트 기체 혼합물은 탄소 주입 동안 탄소 기반 침착물 및 산소 기반 침착물을 감소시키기 위해 탄소 이온을 방출하여 탄소 이온 빔을 생성시키는 것인,
    탄소 주입 시스템 용도의 기체 조성물.
  11. 제10항에 있어서, 상기 탄소를 갖는 불소 함유 기체의 제2 탄소 기반 종은 상기 기체 혼합물의 부피를 기준으로 1 내지 20% 부피 퍼센트(vol%)의 유효량을 가지는, 탄소 주입 시스템 용도의 기체 조성물.
  12. 제10항에 있어서, 기체 조성물이 수소를 더 포함하는, 탄소 주입 시스템 용도의 기체 조성물.
  13. 제10항에 있어서, 상기 제2 탄소 기반 종은 C2F6, CF4, C4F8, C2F4 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는, 탄소 주입 시스템 용도의 기체 조성물.
  14. 제10항에 있어서, 상기 제2 탄소 기반 종은 상기 기체 혼합물의 부피를 기준으로 3 내지 10% 부피의 유효량을 가지는 CF4인, 탄소 주입 시스템 용도의 기체 조성물.
  15. 제10항에 있어서, 상기 제2 탄소 기반 종으로부터 불소의 적어도 일부분이 이온화되는, 탄소 주입 시스템 용도의 기체 조성물.
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