KR101838578B1 - 실라보란 주입 공정들 - Google Patents
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Abstract
실라보란(silaborane) 분자 또는 선택된 이온화된 저질량(lower mass) 부산물들을 소재(workpiece) 안으로 주입하기 위한 방법은 일반적으로 플라즈마를 생성하고 실라보란 분자들 및 그것의 이온화된 저질량 부산물들을 생산하기 위해 실라보란 분자를 이온 소스에서 기화 및 이온화하는 단계를 포함한다. 플라즈마 내의 이온화된 실라보란 분자들 및 저질량 부산물들은 그 다음 이온 빔을 형성하기 위해 추출된다. 이온 빔은 선택된 이온화된 실라보란 분자들 또는 선택된 저질량 부산물들이 그것을 통하여 통과하도록 허용하기 위해 질량 분석기 마그넷으로 질량 분석되고, 소재 안으로 주입한다.
Description
본 개시물은 일반적으로 반도체 이온 주입에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 실라보란(silaborane) 분자들을 반도체 소재들(workpieces) 안으로 선택적으로 주입하기 위한 방법에 관한 것이다.
이온 주입기들은 이온 빔으로 웨이퍼들의 충격에 의해 실리콘 웨이퍼들을 처리하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 빔 처리 중 하나의 용도는 집적 회로들의 제조를 위해 제어된 농도의 불순물들 및/또는 도펀트들을 웨이퍼들에 선택적으로 주입하는 것이다.
전형적인 이온 주입기는 이온 소스, 이온 추출 장치, 질량 분석 장치, 빔 이송 장치 및 웨이퍼 처리 장치를 포함한다. 이온 소스는 소정의 원자 또는 분자 종들의 이온들을 발생시킨다. 이러한 이온들은 추출 시스템, 일반적으로 이온들의 유동을 에너지화하여 지향시키는(direct) 일련의 전극들에 의해 소스로부터 추출된다. 소정의 이온들은 질량 분석 장치, 일반적으로 추출된 이온 빔의 질량 분산을 수행하는 자기 쌍극자에서 이온 소스의 부산물들로부터 분리된다. 빔 이송 장치, 일반적으로 포커싱(focusing) 장치들의 광학적 트레인(optical train)을 포함하는 진공 시스템은 이온 빔의 소정의 광학적 속성들을 유지하면서, 이온 빔을 웨이퍼 처리 장치로 이송한다. 마지막으로, 반도체 웨이퍼들은 웨이퍼 처리 장치에서 원자 또는 분자 종들 또는 그들의 이온 조각들로 주입된다.
이온 에너지는 반도체 장치들에서 접합 깊이를 제어하기 위해 사용된다. 이온 빔을 이루는 이온들의 에너지는 주입된 이온들의 깊이의 정도를 결정한다. 반도체 장치들에서 퇴화 웰들(retrograde wells)을 형성하기 위해 사용되는 것들과 같은 고에너지 공정들은 몇백만 전자 볼트(MeV)까지의 주입들을 요구하는 반면, 얕은 접합들은 1천 전자 볼트(keV) 미만의 에너지들만을 요구할 수 있고, 매우 얕은 접합들은 250 전자 볼트(eV) 만큼 낮은 에너지들을 요구할 수 있다. 일반적으로, 고전류 주입기들(일반적으로 10 밀리암페어(㎃)보다 큰 이온 빔 전류)은 높은 선량(dose) 주입들을 위해 사용되는 반면, 중간 전류 주입기들(일반적으로 약 1㎃까지 가능한 빔 전류)은 더 낮은 선량 애플리케이션들을 위해 사용된다.
점점 더 작은 반도체 장치들에 대한 지속적 추세는 더 낮은 에너지들에서 더 높은 빔 전류들을 지속적으로 공급하는 이온 소스들을 갖는 주입기들을 요구한다. 더 높은 빔 전류는 필요한 정량(dosage) 레벨들을 제공하는 반면, 더 낮은 에너지 레벨들은 얕은 주입들을 허용한다. 상보형 금속-산화물 반도체(CMOS) 장치들에서의 소스/드레인 접합들은, 예를 들면, 이러한 고 전류, 저 에너지 애플리케이션들을 요구한다.
종래의 이온 소스들은 압축된 가스의 소스로부터 직접적으로 또는 기화된 고체로부터 간접적으로 획득되는 이온화 가능한 도펀트 가스를 이용한다. 전형적인 소스 엘리먼트들은 붕소(B), 인(P), 갈륨(Ga), 인듐(In), 안티몬(Sb), 및 비소(As)이다. 대부분의 이러한 소스 엘리먼트들은 붕소를 제외하면 일반적으로 고체 및 가스 양자의 형태로 사용되는데, 붕소는 거의 가스 형태로 독점적으로 공급된다. 특정 애플리케이션들에서, 저 에너지 및 초 저 에너지 붕소 주입들에 대한 요구가 있다. "공간 전하" 효과는, 그러나, 저 에너지에서 낮은 값들로 이송될 수 있는 붕소 원자의 전류를 제한하고, 그에 의해 이온 주입기 생산성을 감소시킨다.
전달 손실들을 방지하기 위해 사용되는 현재 방법 및 저-에너지 이온 빔 이송에 의해 초래되는 소위 "공간 전하" 효과들은 1개 초과의 붕소 원자를 갖는 분자들을 이용한다. 1개 초과의 붕소 원자를 단일 전하와 동시에 이송하는 것은 이송되고 있는 원자들의 수에 대해 1만큼 각각의 붕소 원자의 주입 에너지를 본질적으로 감소시키는 반면, 분자당 원자들의 수의 인자만큼 유효한 붕소 전류를 증가시킨다. 이는 거의 임의의 수의 붕소 원자들을 갖는 붕소의 분자들, 또는 붕소 클러스터들을 발생 및 추출함으로써 달성될 수 있다.
다른 방법에서, 붕소 원자(들)는 상이한 엘리먼트들에 의해 분자로서 이송될 수 있다. 다시, 이는 분자들의 전체 질량에 비례하는 인자에 의해 각각의 붕소 원자에 대한 유효한 주입 에너지를 감소시킨다. 분자의 엘리먼트들이 부가된다. 이상적으로, 부가된 엘리먼트들은 단순히 붕소-기반 분자에 질량을 부가할 것이고, 실리콘 기판의 결정질 구조 안으로의 주입의 결과에 영향을 미치지 않을 것이다. 예를 들면, 각각의 데카보란 분자(decaborane; B10H14)는, 기화 및 이온화되는 경우, 10개 붕소 원자로 구성된 분자 이온을 제공할 수 있기 때문에, 데카보란(B10H14)은 붕소 주입들에 대하여 우수한 공급 재료(feed material)일 수 있다. 이러한 소스는, 1가(monatomic) 붕소 이온 빔이 할 수 있는 바와 같이, 데카보란 분자 이온 빔이 단위 전류당 10배 붕소 선량을 주입할 수 있기 때문에, 얕은 접합들을 생성하기 위해 사용되는 저 선량/저 에너지 주입 공정들에 특히 적합하다. 게다가, 수소 분자들은 장치들의 주입들에 악영향을 미치는 것으로 여겨지지 않는다. 테카보란 및 다른 수소화 붕소들은, 그러나, 표준 이온 소스에서 발견되는 바와 같은 더 높은 온도들에서 불안정할 수 있다. 이와 같이, 이러한 분자들을 이용하기 위해, 이온화 및 빔 발생의 다른 방법들이 구현되어야 한다.
복수의 붕소 원자들을 공급하기 위한 또 다른 방법은 보란 구조의 안정화를 돕도록 구성된 대체 재료들(alternate materials)을 갖는 분자들을 이용하는 것을 포함한다. 일 예는 카르보란(carborane), 특히 o-카르보란(o-carborane; C2B10H12)의 사용인데, 이는 분자가 표준 이온 소스에서 발견되는 조건들에서 더 강건하고 안정하기 때문이다. 카르보란은 또한 이온화, 추출 및 웨이퍼로의 이송 동안 안정을 유지한다. 따라서 이러한 분자의 주입들은 또한 실리콘 기판의 결정질 구조를 변경할 약간의 탄소를 얻는다. 이는 결정질 구조가 주입 후에 동일하게 유지되는 것이 중요한 애플리케이션들에 대해 바람직하지 않을 수 있다.
따라서 주입 동안 임의의 불순물들을 웨이퍼로 전달하지 않고도, 저 또는 극저 에너지들에서 주입될 수 있는 안정한 붕소 분자를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
본 명세서에는 실라보란 분자들을 소재 안으로 주입하기 위한 공정들이 개시된다. 일 실시예에서, 실라보란 분자들을 주입하기 위한 공정은, 플라즈마를 생성하고 이온화된 실라보란 분자들 및 이온화된 저질량(lower mass) 부산물들을 생산하기 위해 실라보란 분자들을 이온 소스에서 기화 및 이온화하는 단계; 이온 빔을 형성하기 위해 상기 플라즈마 내의 상기 이온화된 실라보란 클러스터 분자들 및 이온화된 저질량 부산물들을 소스 개구를 통하여 추출하는 단계; 질량 분석기 마그넷으로 상기 이온 빔을 질량 분석하는 단계 ― 상기 질량 분석기 마그넷은 상기 이온화된 실라보란 분자들 또는 상기 저질량 부산물들 중 선택된 질량의 이온화된 부산물들이 그것을 통하여 통과하도록 허용함 ― ; 최종 에너지를 설정하기 위해 상기 이온 빔의 드리프트(drift)를 전달하는(transport) 단계 및/또는 선택적으로 추가의 가속 또는 감속 전위들을 인가하는 단계; 및 상기 이온화된 실라보란 분자들 또는 상기 저질량 부산물들 중 상기 선택된 질량의 이온화된 부산물들을 소재 안으로 주입하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 붕소 원자들을 소재 안으로 주입하기 위한 공정은, 실라보란 분자를 기화하는 단계; 이온 빔을 형성하기 위해 상기 실라보란 분자를 이온화하는 단계 및 이온들을 이온 소스로부터 추출하는 단계; 최종 에너지를 설정하기 위해 상기 이온 빔의 드리프트를 전달하는 단계 및 선택적으로 추가의 가속 또는 감속 전위들을 인가하는 단계; 및 원하는 전하-대-질량비를 갖는 선택된 이온들을 소재 안으로 주입하는 단계 ― 상기 선택된 이온들은 상기 붕소 원자들로 분해됨 ― 를 포함한다.
본 개시물의 이러한 및 다른 목적들, 장점들 및 특징들은 첨부된 도면들과 함께 설명되는 본 개시물의 상세한 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 공식 : Si2B10H12의 예시적인 O-실라보란 분자의 사시도를 제공하며, 여기서, 20면체의 위치들 1 및 2는 실리콘 원자들에 의해 점유된다;
도 2는 1,2 디메틸 1,2 디실라 클로소 도데카보란(1,2 dimethyl 1,2 disila closo dodecaborane)의 사시도를 제공하며, 여기서, 20면체의 위치들 1 및 2는 실리콘 원자에 의해 점유되고, 메틸기들이 거기에 부착된다;
도 3은 1 메틸 1,2 디실라 클로소 도테카보란의 사시도를 제공하며, 여기서, 20면체의 위치들 1 및 2는 실리콘 원자들에 의해 점유되고, 메틸기는 위치 1에 부착되고, 수소 원자는 위치 2에 부착된다;
도 4는 예시적인 이온 주입 장치를 개략적으로 도시한다;
도 5는 본 개시물에 따른 방법을 실시하기 위해 적합한 이온 장치용 단일 플라즈마 이온 소스의 부분 단면도를 개략적으로 도시한다;
도 6은 도 5의 이온 주입 장치의 이온화기 부분의 부분 단면도를 개략적으로 도시한다;
도 7은 본 개시물에 따른 방법을 실시하기 위해 적합한 이온 주입 장치용 이중 플라즈마 이온 소스의 등측도(isometric view)를 개략적으로 도시한다;
도 8은 본 개시물에 따른 방법을 실시하기 위해 적합한 이온 주입 장치용 이중 플라즈마 이온 소스의 부분 단면도를 개략적으로 도시한다;
도 9는 이중 플라즈마 이온 소스를 이용하는 예시적인 이온 주입 장치를 개략적으로 도시한다.
도 2는 1,2 디메틸 1,2 디실라 클로소 도데카보란(1,2 dimethyl 1,2 disila closo dodecaborane)의 사시도를 제공하며, 여기서, 20면체의 위치들 1 및 2는 실리콘 원자에 의해 점유되고, 메틸기들이 거기에 부착된다;
도 3은 1 메틸 1,2 디실라 클로소 도테카보란의 사시도를 제공하며, 여기서, 20면체의 위치들 1 및 2는 실리콘 원자들에 의해 점유되고, 메틸기는 위치 1에 부착되고, 수소 원자는 위치 2에 부착된다;
도 4는 예시적인 이온 주입 장치를 개략적으로 도시한다;
도 5는 본 개시물에 따른 방법을 실시하기 위해 적합한 이온 장치용 단일 플라즈마 이온 소스의 부분 단면도를 개략적으로 도시한다;
도 6은 도 5의 이온 주입 장치의 이온화기 부분의 부분 단면도를 개략적으로 도시한다;
도 7은 본 개시물에 따른 방법을 실시하기 위해 적합한 이온 주입 장치용 이중 플라즈마 이온 소스의 등측도(isometric view)를 개략적으로 도시한다;
도 8은 본 개시물에 따른 방법을 실시하기 위해 적합한 이온 주입 장치용 이중 플라즈마 이온 소스의 부분 단면도를 개략적으로 도시한다;
도 9는 이중 플라즈마 이온 소스를 이용하는 예시적인 이온 주입 장치를 개략적으로 도시한다.
본 개시물은 일반적으로 이온화된 실라보란 분자들 또는 그것의 저질량 부산물들 중 선택된 질량의 이온화된 부산물들을 소재 안으로 주입하는 방법에 관한 것이다. 이온화된 실라보란 분자들 또는 그것의 저질량 부산물들 중 선택된 질량의 이온화된 부산물들은 이온 소스로부터 추출, 즉, 가속되고, 질량 분석되며, 소재 안으로 주입된다. 추출된 이온들은 또한 그것이 소재에 도달하기 전에 추가의 가속, 감속 또는 포커싱 단계들을 거칠 수 있다. 유리하게, 이온 주입을 위한 소스 물질로서 실라보란 분자들은 이온화 동안 분자 안정성을 제공하며, 그에 의해 종래의 이온 소스들의 사용을 허용한다. 게다가, (즉, 카르보란을 갖는) 탄소 원자들 대신에 실리콘 원자들의 존재는 오염물들이 기판, 예를 들면, 실리콘의 결정질 구조에 부가되지 않음을 보장한다. 어닐링 중에, 실리콘 결정질은 주입에 의해 손상되었던 영역들에서 재성장할 것이다. 붕소 원자들은 p-형 도펀트를 제공하는 결정(crystal)에 상주할 것이지만, 실리콘 원자는 결정에 대하여 변화를 제공하지 않는 결정 격자에서의 위치들을 추정할 것이다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "실라보란"은 일반적으로 20면체 구조를 갖는 임의의 종류의 화합물들을 지칭한다. 실라보란 화합물들은 실리콘 및 붕소 원자들을 포함하며, 그들의 구조는 표준 이온화 소스와 함께 사용되기에 충분히 안정한 분자를 제공한다. 다시 말하면, 폐쇄된 20면체 구조는 분자의 우수한 열적 안정성을 제공한다. 게다가, 구조에서 탄소에 대한 실리콘 원자들의 치환은, 카르보란과 비교하면, 결정에 부가되는 오염물이 없는 것을 보장한다. 하나의 예시적인 실라보란은 화학식 : Si2B10H12의 o-실라보란 분자이다. o-실라보란의 구조는 도 1에 도시된다. 도면에 보이는 바와 같이, 분자의 위치들(꼭짓점(vertex)들) 1 및 2는 각각이 결합된 수소를 갖는 실리콘 원자들에 의해 점유된다. 10개의 나머지 꼭짓점들은 그것에 결합된 수소 원자를 갖는 붕소 원자에 의해 점유되고 외부로 확장된다. 표준 이온화 소스와 함께 사용하기 위한 다른 예시적인 실라보란은 1,2 디메틸 1,2 디실라 클로소 도데카보란이고, 그것의 구조는 도 2에 도시된다. 이러한 분자는, 실리콘 원자들에 결합된 수소 원자들이 메틸기들(-CH3)로 대체됨을 제외하면, o-실라보란과 유사하다. 이온 주입기의 아크(arc) 챔버에서의 이온화 동안, 덜 단단하게 결합된 메틸기들은 이러한 분자로부터 떨어지고, 남은 o-실라보란 12면체는 주입을 위해 실리콘 기판으로 이송된다. 다른 예시적인 12면체 실라보란들은 제한 없이 화학식 : BnHnSi12 - nR12 -n의 화합물들을 포함할 수 있고, 여기서, R은 실리콘 원자들에 결합된 원자 또는 화합물이고 n은 정수이다. 이러한 화학식에 대해 적합한 예시적인 "R" 화합물들은 제한 없이, 수소 o-실라보란, 메틸기들, 에틸기들, 페닐기들에서와 같은 수소 원자들을 포함할 수 있다. 실리콘 원자들은 그에 결합된 동일한 또는 상이한 화합물들을 가질 수 있다. 그에 결합된 상이한 R 화합물들을 갖는 실라보란의 예시적인 실시예는 1 메틸 1,2 디실라 클로소 도데카보란이며, 그것의 구조는 도 3에 도시된다.
20면체 구조를 갖는 실라보란 분자들은, 그것의 20면체 구조가 이온화 동안 소스에서의 추가 안정성을 제공하기 때문에, 이온 주입을 위한 소스 물질들로서 가장 적합하다. 게다가, 이러한 화합물들 중 많은 것은 이온 주입 툴들에서 사용되는 다양한 이온화 소스들에서 발견될 수 있었던 것처럼 상대적으로 고(high) 증기압을 가지며, 상승된 온도들에서 안정하다. 20면체 구조에 의해 제공되는 증가된 안정성은 이온화된 분자들을 형성하도록 분자로부터 전자들을 섬세하게 제거하기 위한 섬세한 "소프트 이온화" 소스에 대한 요건을 제거한다.
실라보란 분자들은 미국 특허 번호들 제6,013,332호; 제6,107,634호; 제6,288,403호; 제6,958,481호; 제6,452,338호; 및 제7,185,602호에 개시된 것들과 같은 임의의 이온 주입 장치를 사용하여 주입될 수 있다. 특정 이온 주입장치에 의해 생산된 이온 빔은 스폿 빔 기계적 스캔 ― 여기서, 소재는 스폿 빔의 특성들에 따라 거의 특정 직경의 원형 단면을 갖는 일반적으로 고정된 스폿 빔에 대해 직각인 2개의 방향들로 기계적으로 스캐닝됨(scanned) ―; 리본 빔 ― 여기서, 빔은, 소재가 직교 방향으로 기계적으로 스캐닝되는 동안, 소재에 걸쳐 일 방향으로 고정되며, 리본 빔이 큰 폭/높이 종횡비를 가질 수 있고, 적어도 소재만큼 넓을 수 있음 ―; 또는 직교 방향으로 기계적으로 스캐닝되는 소재에 걸쳐 일 방향으로 스캐닝되는, 전자기적으로 또는 정전기적으로 스캐닝된 빔으로서 구성될 수 있다. 예시적인 이온 주입 장치는 액셀리스 테크놀로지 사로부터 상업적으로 구입가능한 OPTIMA HD® 이온 주입 장치이며, 이는 스폿 빔 2-차원 기계적 스캔을 제공하도록 구성된다.
도 4는 예시적인 이온 주입 장치(10)를 개략적으로 도시한다. 장치는 일반적으로 이온 소스(12), 빔라인(beamline) 조립체(14), 및 소재(18)를 수용하는 타겟팅 챔버(16)를 포함한다. 이온 소스(12)는 이온 빔(20)을 형성하기 위한 동작 동안 연이어 추출되는 기화된 실라보란 분자로부터 충전된(charged) 이온들을 발생시킨다. 빔라인 조립체(14)는 약 90도 각으로 형성된 질량 분석기(22)를 포함하고, 그 안에 (쌍극자) 자기장을 구축하도록 기능하는 하나 또는 둘 이상의 마그넷들을 포함한다. 이온 빔(20)이 질량 분석기(22)에 들어감에 따라, 원하지 않는 이온들이 편향되고 소정의 이온들이 그것을 관통하도록, 이온 빔은 자기장에 의해 대응하여 휘어진다. 일단 질량 분석기를 통하여 이온 빔이 가속되거나, 감속되거나, 포커싱되거나, 그렇지 않으면 소재 안으로의 주입을 위해 변경될 수 있다. 이러한 방식으로, 그것을 관통한 이온들은 원하는 전하-대-질량비를 갖는데, 이는 이어서 소재 안으로 주입된다. 원하는 전하-대-질량비를 갖는 이온들의 주입 동안, 소재는 이온 빔에 수직인 두 방향들로 기계적으로 스캐닝될 수 있다. 이온 빔(20)에 의해 횡단되는 전체 경로는 주입 동안 진공 하에 있다.
이온 빔을 발생시키기 위한 이온 소스는 단일 플라즈마 이온 소스 또는 이중 플라즈마 이온 소스일 수 있다. 유사하게, 이온 소스들은 방열 음극(indirectly-heated cathode) 이온 소스 또는 무선 주파수(RF) 에너지로의 노출에 의해 이온들을 발생시키는 것일 수 있다. 도 5는 방법을 실시하기 위해 적합한 예시적인 단일 플라즈마 이온 소스(50)를 개략적으로 도시하고, 일반적으로 Perel의 미국 특허 제6,479,828호에 개시되며, 그것의 내용들은 완전히 참조에 의해 통합된다. 단일 플라즈마 이온 소스(50)는 기화기(51) 및 이온화기(53)를 포함한다. 기화기(51)는 비-반응성의, 열적 도전성 승화기 또는 도가니(52), 가열 매질 저장소(54), 가열 매질 펌프(55), 온도 제어기(56), 및 질량 유동 제어기(60)를 포함한다. 도가니(52)는 이온화기(53)로부터 멀리 떨어져 위치되고, 공급 관(62)에 의해 그것에 연결되며, 공급 관은 실질적으로 그것의 전체 길이에 따라 외부 단일-챔버 환형 덮개(90)에 의해 둘러싸인 석영 또는 스테인리스강으로 구성된다.
도가니(52)는 소스 물질(68)을 수용하기 위한 공동(66)을 둘러싸는 컨테이너(64)를 구비한다. 컨테이너는 바람직하게는 충분한 양의 소스 물질(68)을 보유할 수 있는 스테인리스강, 흑연, 석영 또는 붕소 질화물과 같은 적합한 비-반응성(불활성) 물질로 이루어진다.
실라보란 분자는 액체 또는 분말 형태로 존재할 수 있고, 저장소(54)에 수용된 가열 매질(70)로 컨테이너(64)의 벽을 가열함으로써 기화될 수 있다. 예를 들면, 고체 실라보란 분자는 증기 이송을 위해 필요한, 일반적으로 1 mTorr보다 큰 압력을 달성하기 위해, 승화까지 가열될 수 있다. 완전하게 기화된 실라보란 분자들은 공급 관(62)을 통하여 도가니(52)를 빠져나가고, 질량 유동 제어기(60)로 들어가는데, 이는 증기의 유동을 제어하고, 그에 의해 이온화기(53)로 공급되는 기화된 실라보란 분자의 양을 측정한다.
대안적으로, 공급 관(62)은 모세관의 형상으로 설치되고, 덮개(90)는 외부 덮개에 의해 둘러싸인 내부 덮개를 포함하는 동축 이중-챔버 덮개의 형상으로 설치된다. 가열 매질은 내부 덮개(모세관(62)에 근처에 위치된) 안으로 펌핑될 수 있고, (내부 덮개로부터 방사상으로 외부에 위치된)외부 덮개의 밖으로 펌핑될 수 있다. 이러한 제 2 실시예에서, 질량 유동 제어기(60)는 공급 관/이온화기 인터페이스에 위치되는 가열된 차단 밸브(미도시)로 대체될 수 있고, 질량 유동은 저장소(54)의 온도를 직접적으로 변동시킴으로써 증가되거나 감소된다.
예시적인 이온화기(53)는 도 6에 보다 상세하게 도시된다. 이러한 특정 예에서, 이온화기(53)는 일반적으로 원통인 몸체(96) 및 일반적으로 환형인 베이스 또는 설치 플랜지(98)를 포함하며, 양자 모두는 바람직한 실시예에서 알루미늄으로 구성된다. 몸체(96)는 유입구(102)에 의해 공급되는 입구 냉각 통로(100) 및 배출구(106)를 통하여 몸체(96)를 나가가는 출구 냉각 통로(104)에 의해 냉각된다. 냉각 매질은 물 또는 고 열용량을 갖는 임의의 다른 적합한 유체일 수 있다. 입구 및 출구 냉각 통로들은 이온화기 몸체(96)를 냉각시키기 위해 물이 그것을 통하여 유동하는 연속한 경로를 제공한다. 단지 경로의 세분된(fragmented) 부분만이 도 6에서 팬텀 화법으로(in phantom) 도시되지만, 경로는 전체 몸체가 효과적으로 냉각되도록 보장하기 위해 임의의 공지된 구성으로 몸체의 외측 주변부 근처에 그리고 주위에 연장될 수 있다.
몸체(96)를 냉각시키는 것은, 이온화 챔버 내의 실라보란 분자 압력을 수용할 것이고, 충분하게 높은 온도들에서 이온화 챔버(108)가 존재함을 보장한다.
이온화기 몸체(96)의 범위 내에서, 공급 관(62)의 연장은 환형 덮개(90)에 의해 둘러싸이고, 이온화 챔버(108)에서 종료된다. 이온화 챔버 내에, 열 음극(hot cathode)(110) 및 대음극(anti-cathode) 또는 반사 전극(repeller)(112)이 존재한다. 열 음극(110)은 몰리브덴 실린더(116)에 의해 둘러싸이고, 텅스텐 종단 캡(118)으로 덮인 열 텅스텐 필라멘트(114)를 포함한다. 열 필라멘트(114)는 몸체(96)를 통과하고 몸체(96)로부터 전기적으로 절연된 분말 피드스루들(powder feedthroughs; 120 및 122)을 통하여 에너지화된다. 반사 전극(112)은 또한 반사 전극을 냉각 이온화 챔버(108)에 물리적으로 결합하는 열적 도전성 전기적 절연 물질(사파이어와 같은)을 통하여 몸체(96)와 전기적으로 절연된다.
동작 시, 기화된 실라보란 분자는 이온화기 유입구(119)에서 공급 관(62)을 통하여 이온화 챔버 안으로 분사된다. 텅스텐 필라멘트(114)가 피드스루들(120 및 122) 양단의 전위차의 인가에 의해 전기적으로 에너지화되면, 필라멘트는 종단 캡(118)을 향하여 가속되고, 충돌하는 전자들을 방출한다. 종단 캡(118)이 전자 충격에 의해 충분히 가열되면, 그것은 결국 전자들을 챔버에서 이온들을 생성하기 위해 기화된 실라보란 분자들에 출동하는 이온화 챔버(108) 안으로 방출한다. 조건들에 따라, 분자의 분열이 또한 발생하게 될 수 있다.
그에 의해 저-밀도 이온 플라즈마가 생성되고, 그로부터 이온 빔이 소스 개구(126)를 통하여 챔버로부터 추출된다. 플라즈마는 다양한 이온화된 실라보란 종들을 포함하는데, 이들 모두는 소재 안으로 선택적으로 주입가능하다. 추출된 이온 빔은 그 다음 단지 미리 정해진 전하-대-질량비를 갖는 이온들만 그것을 통과하도록 허용하기 위해 질량 분석 마그넷(127)에 의해 질량 분석된다. 챔버(108)에서의 저 밀도의 이온화된 실라보란 분자 플라즈마는 소스에 유지되는 상대적으로 낮은 아크 방전 전력에 의해 부분적으로 제공된다.
이온 주입 장치에서 도 5의 단일 플라즈마 이온 소스(50)를 이용하여, 전체 실라보란 분자(5 붕소 원자보다 큰), 또는 그것의 세분된 저질량 부산물들은 소재 안으로 선택적으로 주입될 수 있다. 실라보란 분자는 각각의 붕소 원자의 에너지가 실라보란 분자 또는 저질량 부산물들의 단편이 되도록 소재 표면에서 분해된다. 예를 들면, o-실라보란의 경우에, 각각의 원자의 에너지는 o-실라보란에서의 10 붕소의 대략 1/10의 에너지이다. 따라서, 빔은 소정의 붕소 주입 에너지의 몇 배로 전달(transport)될 수 있고, 큰 빔 전달 손실들 없이 매우 얕은 주입들을 가능하게 한다. 게다가, 단위 분자당 전하가 1가 빔 주입의 단편이기 때문에, 소재 충전 문제들은 주어진 선량률(dose rate)에 대해 훨씬 덜 심각하다.
질량 분석 마그넷(127)은, 해당 기술분야에서 공지된 바와 같이, 소정의 범위 내의 전하-대-질량비를 갖는 입자들만을 그것을 통하여 통과시키도록 허용하기 위해 조정될 수 있다. 질량 분석 마그넷은 상이한 전하-대-질량비들의 이온들을 효과적으로 분리시킬 아치형 통로에서의 자기 편향을 통하여 이온 빔에서의 다양한 이온들을 편향시키기 위해 쌍극자 자기장을 생성할 수 있다.
음극(110)에 의해 생성되는 전자들은 이온화된 실라보란 분자 및 그것의 세분된 저질량 이온들을 생성하기 위해 이온화 챔버에서 실라보란 분자에 충돌하지 않고, 반사 전극(112)을 향하여 이동하는데, 반사 전극은 이러한 전자들을 다시 음극을 향하도록 편향시킨다. 반사 전극은 바람직하게는 몰리브덴으로 구성되며, 음극과 같이, 이온화기 몸체(96)로부터 전기적으로 절연된다. 이온화 챔버(108)의 벽들(128)은 국부 전기 접지 전위로 유지된다. 단부 캡(118)을 포함하는 음극(110)은 벽들(128)의 전위 아래의 약 50 내지 150 볼트의 전위로 유지된다. 필라멘트(114)는 단부 캡(118)의 전위 아래의 대략 200 내지 600 볼트 사이의 전압으로 유지된다. 필라멘트(114)와 단부 캡(118) 사이의 큰 전압 차는 전자들을 이온화 챔버(108) 안으로 터미널라지컬하게(terminalogically) 방사하기에 충분하게 단부 캡(118)을 가열하기 위하여 필라멘트로부터 방출된 전자들로 고 에너지를 전한다.
단일 플라즈마 이온 소스(50)는 도가니(52)의 동작 온도뿐만 아니라 기화된 실라보란 분자가 그 진로 상에서 이온화기(53)로 그리고 이온화기(53)를 관통하는 공급 관(62)의 동작 온도를 제어하기 위한 제어 메커니즘을 제공한다. 가열 매질(70)은 저항성 또는 유사한 가열 엘리먼트(80)에 의해 저장소(54) 내에서 가열되고 열 교환기에 의해 냉각된다. 온도 제어 수단은 열전대(92)를 통하여 저장소(54)로부터의 온도 피드백을 입력으로서 획득하는 온도 제어기(56)를 포함하고, 아래에 더 설명되는 바와 같이, 저장소에서의 가열 매질(70)이 적합한 온도로 가열되도록 제어 신호를 가열 엘리먼트(80)로 출력한다.
가열 매질(70)은 석유 또는 고 열용량을 제공하는 다른 적합한 매질(예를 들면, 물)을 포함한다. 석유는 가열 엘리먼트(80)에 의해 20℃ 내지 250℃ 범위 내의 온도까지 가열되고, 도가니(52) 주변의 펌프(55) 및 덮개(90)를 통한 공급 관(62)에 의해 순환된다. 펌프(55)에는 유입구 및 배출구(82 및 84)가 각각 제공되고, 저장소(54)에는 유입구(86) 및 배출구(88)가 유사하게 각각 제공된다. 도가니(52) 및 공급 관(62) 주위의 가열 매질의 유동 패턴은 도가니(52) 및 공급 관(62) 주위의 매질의 적당한 순환을 제공하는 임의의 패턴일 수 있다.
다시 도 5로 돌아가서, 도가니 공동(66)에는 공급 관(62)을 통해 도가니(52)로부터 이온화 챔버(108)까지의 기화된 실라보란 분자의 물질 전달을 용이하게 하기 위해 압력이 가해질 수 있다. 공동(66) 내의 압력이 상승함에 따라, 물질 전송의 속도는 대응하여 증가한다. 이온화 챔버는 진공 부근(약 1 밀리토르)에서 동작하고, 따라서, 압력 변화도는 도가니(52)에서 이온화 챔버(108)까지 공급 관(62)의 전체 길이를 따라 존재한다. 도가니의 압력은 통상적으로 1 torr 정도이다.
도가니(52)를 이온화 챔버(108)로부터 멀리 위치시킴으로써, 도가니 공동(66) 내의 물질은 열적으로 분리되고, 그에 의해 이온화 챔버에서의 온도에 의해 영향을 받지 않는 열적으로 안정한 환경을 제공한다. 이와 같이, 승화의 공정이 발생하는 도가니 공동(66)의 온도는 이온화 챔버(108)의 동작 온도와 독립적으로, 높은 정도의 정확도(1℃ 이내)로 제어될 수 있다. 또한, 가열된 공급 관(62)을 통한 이온화 챔버로의 이송 동안 기화된 실라보란 분자의 일정한 온도를 유지함으로써, 증기의 응결 또는 열적 분해가 발생하지 않는다.
온도 제어기(56)는 가열 매질 저장소(70)에 대한 가열 엘리먼트(80)의 동작을 제어함으로써 도가니(52) 및 공급 관(62)의 온도를 제어한다. 열전대(92)는 저장소(70)의 온도를 감지하고 온도 피드백 신호(93)를 온도 제어기(56)로 전송한다. 온도 제어기는 제어 신호(94)를 저장소 가열 엘리먼트(80)로 출력함으로써 공지된 방식으로 이러한 입력 피드백 신호에 대응한다. 이러한 방식으로 균일한 온도는 실라보란 분자들이 노출되는 모든 표면들에 대하여 이온화 챔버의 위치까지 제공된다.
시스템에서 (펌프(55)를 통하여) 가열 매질의 순환 및 (가열 엘리먼트(80)를 통하여) 가열 매질의 온도를 제어함으로써, 이온 소스(50)는 20℃ 내지 250℃(±1℃) 정도의 동작 온도로 제어될 수 있다. 정밀한 온도 제어는 도가니의 압력 및 그에 의한 도가니 밖으로의 증기 유동을 제어하기 위해, 이온화 챔버에 가장 가까운 공급 관의 종단과 비교하면, 도가니에서 더 중요하다.
도가니를 가열하는 것은 또한 접촉 저항 가열기들 또는 임의의 다른 방식의 가열에 의해 달성될 수 있다. 이러한 온도의 정밀한 제어는 실라보란 증기의 압력을 결정한다.
도 7 및 도 8은 간략화된 예시적인 이중 플라즈마 이온 소스(200)를 도시하는데, 여기서, 이중 플라즈마 이온 소스(200)는 실라보란 분자들을 주입하기에 적합하다. 도 7 및 도 8에 도시된 이중 플라즈마 이온 소스(200)는 예시를 목적으로 제공되고, 이온 소스의 모든 양상들, 부품들, 및 특징들을 포함하도록 의도되지 않음에 유의해야 한다.
이중 플라즈마 이온 소스(200)는, 예를 들면, 제 2 플라즈마 챔버(216) 근처에 위치된 제 1 플라즈마 챔버(202)를 포함한다. 제 1 플라즈마 챔버(202)는 가스 소스 공급선(206)을 포함하고, 제 1 소스 가스로부터 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 발생 부품(204)으로 구성된다. 소스 가스는 가스 공급선(206)에 의해 제 1 플라즈마 챔버(202) 안으로 유도된다. 소스 가스는 다음 중 적어도 하나를 포함할 수 있다: 아르곤(Ar), 및 크세논(Xe)과 같은 불활성 가스들, 삼불화붕소(boron trifluoride; BF3), 아르센(arsene, AsH3) 및 포스핀(phosphene; PH3)과 같은 표준 이온 주입 가스들, 및 산소(O2) 및 삼불화질소(NF3)와 같은 반응성 가스들. 소스 가스들의 전술한 목록은 단지 예시를 목적으로 제공되며, 제 1 플라즈마 챔버로 전달될 수 있는 소스 가스들의 완전한 목록을 나타내도록 고려된 것이 아님이 이해되어야 한다.
플라즈마 발생 부품(204)은 음극(208)/양극(210) 조합을 포함하고, 음극(208)은 단순한 버나스-형(Bernas-type) 필라멘트 구성 또는 방열 음극(indirectly heated cathode)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 플라즈마 발생 부품(204)은, 예를 들면, 공동으로 양도된 미국 특허 제5,661,308호에 개시된 바와 같이, 이온화 에너지를 가스 이온화 구역으로 전달하기 위해 가스 밀폐 챔버 내에 직접적으로 장착되는 무선 주파수 도전성 부분을 가지고 지지되는 RF 유도 코일 안테나를 포함할 수 있다.
제 1, 또는 전자 소스, 플라즈마 챔버(202)는 이온 주입 시스템의 고 진공 영역, 즉, 압력이 제 1 플라즈마 챔버(202) 내의 소스 가스의 압력보다 훨씬 낮은 영역으로의 통로를 형성하는 개구(212)를 규정한다. 개구(212)는, 본 명세서에서 아래에 추가로 설명될 바와 같이, 소스 가스 순도를 고 레벨로 유지하기 위한 펌핑 개구를 제공한다.
전자 소스 플라즈마 챔버(202)는 또한 전자 소스 플라즈마 챔버(202)로부터 전자들을 추출하기 위한 추출 개구를 형성하는 개구(214)를 형성한다. 일 실시예에서, 추출 개구(214)는 도 8에 예시된 바와 같이, 그 안에 형성된 개구(214)를 갖는 교체가능한 양극 엘리먼트(210)의 형태로 제공된다. 이와 같이, 전자 소스 플라즈마 챔버(202)가 소위 비-반사 모드로 플라즈마로부터 전자들을 끌어당기기 위해 양으로 바이어싱된 전극(219)(음극(208)에 관하여)을 갖도록 구성될 수 있음이 당업자에 의해 이해될 것이다. 대안적으로, 전극(219)은 전자들이 소위 반사 모드에서 전자 소스 플라즈마 챔버(202) 안으로 다시 반발하게 하도록 음극(208)에 대하여 음으로 바이어싱될 수 있다. 이러한 반사 모드 구성은 전극(219)의 전기적 절연 및 독립 바이어싱과 함께, 플라즈마 챔버 벽들의 적절한 바이어싱을 요구할 것임이 이해될 것이다.
앞에서 설명된 바와 같이, 이중 플라즈마 이온 소스(200)는 또한 제 2, 또는 이온 소스 챔버(216)를 포함한다. 제 2 이온 소스 플라즈마 챔버(216)는 소스 가스를 이온 소스 플라즈마 챔버(216) 안으로 도입하기 위한 제 2 가스 소스 공급선(218)을 포함하며, 전자 소스 플라즈마 챔버(202)로부터 전자들을 수용하도록 더 구성되며, 그에 의해 전자들과 제 2 소스 가스 사이의 충돌들을 통하여 그 안에 플라즈마를 생성한다. 제 2 소스 가스는 실라보란 분자를 포함한다.
제 2, 또는 이온 소스, 플라즈마 챔버(216)는 제 1 플라즈마 챔버(202)의 추출 개구(214)와 정렬되고, 제 1 플라즈마 챔버(202)로부터 추출된 전자들을 제 2 플라즈마 챔버(216)로 유동하도록 허용하기 위해 그 사이에 통로를 형성하는 개구(217)를 형성한다. 바람직하게는, 이온 소스 플라즈마 챔버(216)는 이온 플라즈마를 생성하기 위하여 전자들과 가스 분자들 사이에 소정의 충돌을 생성하도록 소위 비-반사 모드에서 이온 소스 플라즈마 챔버(216) 안으로 분사되는 전자들을 끌어당기기 위해 양으로 바이어싱된 전극(219)을 갖도록 구성된다. 대안적으로, 전극(219)은 전자들이 소위 반사 모드에서 이온 소스 플라즈마 챔버(216) 안으로 다시 반발되게 하도록 음으로 바이어스될 수 있다.
추출 개구(220)는 통상의 방식으로의 주입을 위한 이온 빔의 형성을 위해 이온들을 추출하도록 제 2 플라즈마 챔버(216)에 구성된다.
일 실시예에서, 제 2 플라즈마 챔버(216)는 외부 바이어스 전원 공급부(215)를 이용하여 제 1 플라즈마 챔버(202)에 대하여 양으로 바이어싱된다. 전자들은 따라서 전자 소스 플라즈마 챔버(202)로부터 추출되고, 이온 소스 플라즈마 챔버(216) 안으로 주입되며, 여기서, 제 1 플라즈마 챔버(202)에 의해 제공되는 전자들과 제 2 가스 소스 공급선(218)을 통하여 제 2 플라즈마 챔버(216)로 공급되는 실라보란 분자 사이에 제 2 플라즈마 챔버(216)에서 플라즈마를 생성하기 위해 충돌이 유도된다.
제 1 플라즈마 챔버(202) 및 제 2 플라즈마 챔버(216)가 3개의 개방 경계부들: 가스 유입구(예를 들면, 제 1 가스 공급 유입구(222) 및 제 2 가스 공급 유입구(224)), 고 진공 영역으로의 개방부(예를 들면, 펌핑 개구(212) 및 추출 개구(220)) 및 제 1 및 제 2 플라즈마 챔버들(202 및 204) 각각의 사이에 공통 통로를 형성하는 공통 경계 개구들(214 및 217)을 가질 수 있음에 유의해야 된다. 바람직하게는, 공통 경계 개구들(214 및 217)은 고 진공 영역 안으로의 개구들(212 및 220), 즉, 제 1 플라즈마 챔버 개구(212) 및 제 2 플라즈마 챔버 개구(220)에 비해 작게 유지된다.
하나의 예시적인 이중 플라즈마 이온 소스 구성에서, 이온 소스는 Beverly, MA 소재의 액셀리스 테크놀로지 사에 의해 제조 및 판매되는 형태의 표준 방열 음극(IHC) 이온 소스의 부품들을 포함하며, 여기서, 이온 소스 플라즈마 챔버는 표준 음극, 추출 시스템 및 소스 공급관으로 구성된 표준 아크 챔버를 포함한다. 표준 IHC 소스의 방열 음극 엘리먼트는 제거되고, 그것의 자리에 장착되는 작은 전자 소스 플라즈마 챔버로 대체되는데, 이는 액셀리스 테크놀로지 사에 의해 제조 및 판매되는 형태이며, 아크 챔버, 표준 방열 음극 엘리먼트 및 소스 공급관을 포함하는 표준 IHC 이온 소스와 유사한 부품들을 포함한다.
2개 플라즈마 챔버들 모두는 또한 참조 부호 230에 의해 도시되는 액셀리스 테크놀로지 사로부터 구입할 수 있는 표준 소스 마그넷에 의해 제공되며, 추출 개구에 따라 지향된 자기장을 공유할 수 있다. 이온화 공정(및 이러한 경우에서 전자 발생 공정)은 플라즈마 발생 챔버에서 수직 자기장을 유도함으로써 더욱 효율적이 된다는 것이 널리 알려져 있다. 이와 같이, 일 바람직한 실시예에서, 전자석 부재들(230)은 제 1 및 제 2 플라즈마 챔버들(202 및 216) 각각의 외부에, 바람직하게는 이들 사이의 공유된 경계의 축을 따라 위치된다. 이러한 전자석 엘리먼트들(230)은 이온화 공정의 효율을 개선하기 위해 전자들을 포획하는 자기장을 유도한다.
전자 소스 플라즈마 챔버(202)는, 개구들(214, 217)에 의해 형성된 공통 경계 개구를 통하여 음극(208)으로부터 제공된 일반적으로 10W 정도의 적은 양의 방사선 전력인 이온 소스 플라즈마 챔버(216)에 결합된 전력, 및 이온 소스 플라즈마 챔버(216) 안으로 분사된 전자 전류와 관련된 일반적으로 10W의 방전 전력만으로, 바람직하게는 이온 소스 플라즈마 챔버(216)로부터 그 사이에 위치된 절연 부재(226)를 통하여 열적으로 분리된다. 이온 소스 플라즈마 챔버(216)에 결합된 적은 양의 전력은 큰 분자 가스들의 해리를 방지하기에 충분히 낮은 벽 온도들의 유지를 용이하게 한다. 전자 소스 챔버(202)는 절연 부재(226)에 의해 이온 소스 플라즈마 챔버(216)와 전기적으로 분리된다.
일 실시예에서, 이온 소스 플라즈마 챔버(216)는 약 300㎟(5㎜ × 60㎜)의 면적을 갖는 추출 개구(220)로 구성된다. 전자 소스 챔버(202)는 또한 전체 면적 300㎟의 펌핑 개구(212)로 구성된다. 2개의 플라즈마 챔버들에 의해 공유된 개구들(214 및 217)에 의해 형성된 공통 경계 개구는 바람직하게는 30㎟(4㎜ × 7.5㎜)의 정도의 면적을 갖는다.
앞에서 설명된 바와 같이, 전자 소스 플라즈마 챔버 펌핑 개구(212) 및 이온 소스 플라즈마 챔버 추출 개구(220)의 면적들의 선택은 바람직하게는 개구들(214 및 217)에 의해 생성된 공통 경계 개구에 비해 크며, 이는 각각의 챔버(202 및 216)에서 상대적으로 높은 가스 순도를 초래한다. 전형적인 애플리케이션에서, 각각의 플라즈마 챔버 가스가 약 90% 순수하도록, 전자 소스 플라즈마 챔버(202) 내의 가스 밀도 및 이온 소스 플라즈마 챔버(216) 내의 제 2 기화된 실라보란 분자 밀도는 대략 동일하다.
도 9는 위에서 설명한 것과 같은 이중 플라즈마 이온 소스를 이용하는 예시적인 이온 주입 장치(300)를 개략적으로 도시한다. 이온 주입 장치(300)(또한 이온 주입기로 지칭됨)는 이온 주입 장치(300) 상에서 실시되는 다양한 동작들 및 공정들을 처리하기 위한 제어기(302)에 동작가능하게 결합된다. 이온 주입 장치(300)는, 소재 지지 플래튼(312) 상에 지지된 소재(310)(예를 들면, 반도체 소재, 디스플레이 패널 등)로의 이온들의 주입을 위해, 빔 경로(P)를 따라 이동하는 이온 빔(308)을 발생시키기 위한 다량의 이온들을 생산하기 위한 앞서 설명된 더블 플라즈마 이온 소스 조립체(306)를 포함한다.
이온 소스 조립체(306)는 제 1 플라즈마 챔버(314)(예를 들면, 플라즈마 챔버 또는 아크 챔버) 및 제 2 플라즈마 챔버(316)를 포함하고, 제 1 플라즈마 챔버(314)는 플라즈마 발생 부품(318)으로 구성되며, 이는 제 1 가스 공급선(322)을 통하여 제 1 플라즈마 챔버(314) 안으로 도입되는 제 1 가스로부터 플라즈마를 발생하기 위한 음극(108)(도 6 참조) 및 양극(110)(도 6 참조)을 포함할 수 있다. 플라즈마 발생 부품(318)은, 대안적 예에서, 예를 들면, RF 유도 코일을 포함할 수 있다. 제 1 가스는 다음 중 적어도 하나를 포함할 수 있다: 불활성 아르곤(Ar), 및 크세논(Xe)과 같은 불활성 가스들, 삼불화붕소(BF3), 아르센(AsH3) 및 포스핀(PH3)과 같은 표준 이온 주입 가스들, 및 산소(O2) 및 삼불화질소(NF3)와 같은 반응성 가스들.
제 2 플라즈마 챔버(316)는 제 1 및 제 2 챔버들(314 및 316) 사이에 형성된 공통 경계 개구(326)를 통하여 제 1 플라즈마 챔버(314)와 유체 통신하게 위치되며, 제 2 플라즈마 챔버(316)는 제 2 가스 공급부(330)로부터 제 2 가스 공급선(328)에 의해 유도되는 제 2 가스를 포함한다. 제 2 가스는 기화된 실라보란 분자를 포함한다.
제 2 플라즈마 챔버(316)는 바람직하게는 바이어스 전력 공급부(332)에 의해 제 1 플라즈마 챔버(314)에 대하여 양으로 바이어싱되며, 제 2 플라즈마 챔버(316) 안으로의 분사를 위해 제 1 플라즈마 챔버(314)로부터의 전자들의 추출을 가능하게 한다. 추출된 전자들이 제 2 플라즈마 챔버(316)에서 제 2 가스와 충돌하는 경우, 그것들은 제 2 플라즈마 챔버(316)에서 플라즈마를 생성한다. 추출 개구(334)는 제 2 플라즈마 챔버(316)에서 형성된 플라즈마로부터 이온들을 추출하기 위해 제 2 플라즈마 챔버(316) 내에 제공된다.
이온 주입 장치(300)는 소스 조립체(306)와 관련된 추출 전극 조립체(331)를 더 포함하고, 추출 전극 조립체(331)는 추출 개구를 통한 추출을 위해 소스 조립체(306)로부터 충전된 이온들을 끌어당기도록 바이어싱된다. 빔라인 조립체(336)가 이온 소스 조립체(306)의 다운스트림(downstream)에 추가로 제공되며, 빔라인 조립체(336)는 일반적으로 소스(306)로부터 충전된 이온들을 수용한다. 빔라인 조립체(336)는, 예를 들면, 빔 가이드(342), 질량 분석기(338), 및 분해 개구(340)를 포함하고, 빔라인 조립체(336)는 소재(310) 안으로의 주입을 위해 빔 경로(P)를 따라 이온들을 이송하도록 동작된다.
질량 분석기(338)는, 예를 들면, 마그넷(미도시)과 같은 플라즈마 발생 부품을 더 포함하고, 질량 분석기(338)는 일반적으로 이온 빔(308)에 걸쳐 자기장을 제공하고, 따라서 소스(306)로부터 추출되는 이온들과 관련된 전하-대-질량비에 따라 변하는 궤도들에서 이온 빔(308)으로부터 이온들을 편향시킨다. 예를 들면, 자계를 통하여 이동하는 이온들은 빔 경로(P)를 따라 소정의 원하는 전하-대-질량비의 개별 이온들을 지향하고, 원하지 않는 전하-대-질량비의 이온들을 빔 경로(P)로부터 떨어지게 편향시키는 힘을 경험한다. 일단 질량 분석기(338)를 통하여, 이온 빔(308)이 분석 개구(340)를 통하여 지향되고, 이온 빔(308)은 가속, 감속, 포커싱되거나, 그렇지 않으면 단부 스테이션(344) 내에 위치된 소재(310) 안으로의 주입을 위해 변경된다.
앞서 말한 단일 또는 이중 플라즈마 이온 소스 하드웨어 구성들의 결과로서,제 1 플라즈마 챔버(202)로부터의 전자들을 이용한 제 2 플라즈마 챔버(216) 내의 실라보란 분자 이온 종들 및 그것의 세분된 저질량 부산물들의 형성은 음극과 관련된 전형적인 이온 소스 오염 문제들을 방지할 수 있는 한편, 예를 들면, 이러한 하드웨어의 전력 소실 특성들은 일반적으로 분자 종들 이온화와 관련된 광범위한 전자 전류 이온화 애플리케이션들뿐만 아니라, 일반적으로 모노머(monomer) 종들 이온화와 관련된 고 전자 전류 이온화 애플리케이션들을 가능하게 할 수 있다.
전형적인 이온 에너지들은 1 내지 500 keV(160 내지 80,000 aJ)의 범위이다. 1 keV(160 aJ) 아래의 에너지들이 사용될 수 있지만, 단지 수 나노미터 또는 그 이하만의 침투를 초래한다. 더 높은 에너지들이 또한 사용될 수 있다: 5 MeV(800,000 aJ)의 용량의 가속기들이 일반적이다. 그러나, 종종 타겟에 대한 큰 구조적 손상이 존재하고, 깊이 분포가 폭넓기 때문에, 타겟 내의 임의의 위치에서의 순(net) 조성물 변화는 작을 것이다.
이온들뿐만 아니라 이온 종들의 에너지 및 타겟의 조성물은 고체에서 이온들의 침투의 깊이를 결정한다: 단일 에너지 이온 빔은 일반적으로 폭넓은 깊이 분포를 가질 것이다. 평균 침투 깊이는 이온들의 범위로 불린다. 전형적인 환경 하에서, 이온 범위들은 10 나노미터 내지 1 마이크로미터 사이일 것이다. 따라서, 이온 주입은 화학적 또는 구조적 변화가 타겟의 표면 부근에 있도록 요구되는 경우들에 있어 특히 유용하다. 이온들은 그것들이 고체를 통하여 이동함에 따라 타겟 원자들과의 이따금의(occasional) 충돌들(갑작스런 에너지 이송들을 야기하는)로부터, 그리고 전자 궤도들의 오버랩으로부터 약한 항력(mild drag)으로부터 그것들의 에너지를 점진적으로 손실하며, 이는 연속적인 공정이다. 타겟에서의 이온 에너지의 손실은 스톱핑(stopping)라 불려진다.
각 개별 이온은 충격으로 타겟 결정체에서 간극들(vacancies) 및 틈새들(interstitials)과 같은 많은 점 결함들을 생산한다. 간극들은 원자에 의해 점유되지 않는 결정 격자 점들이다: 이러한 경우, 이온은 타겟 원자와 충돌하고, 그것이 자신의 결정 위치를 떠나도록 타겟 원자로의 상당한 양의 에너지의 이송을 초래한다. 이러한 타겟 원자는 그 다음 그 자체로 고체에서 원자합성입자(projectile)가 되며, 연속한 충돌 이벤트를 초래할 수 있다. 틈새들은 이러한 원자들(또는 원래의 이온 자체)이 고체에서 멈추게 되는(come to rest) 경우 발생하지만, 존재하기 위한 격자 내의 빈 공간을 찾지 못한다. 이러한 점 결함들은 이동하여 서로에 의해 밀집될(cluster) 수 있으며, 변위(dislocation) 루프들 및 다른 결함들을 초래할 수 있다.
이온 주입이 종종 원하지 않는 타겟의 결정 구조에 손상을 초래하기 때문에, 이온 주입 처리 뒤에 종종 열 어닐링이 있다. 이는 손상 회복으로서 지칭될 수 있다.
본 개시물의 바람직한 실시예들의 앞의 설명들은 예시 및 설명의 목적으로 나타내어 왔다. 이것은 완전한 것으로 의도되거나 또는 본 개시물을 개시된 정확한 형태들로 제한하도록 의도되지 않는다. 명백한 변형들 및 수정들이 상기 교시들을 고려하여 가능하다. 실시예들은 본 개시물의 원리들의 최적의 예시 및 그것의 실제적인 애플리케이션을 제공하고, 이에 의하여, 고려된 특정 사용에 적합한 바와 같이, 당업자가 다양한 수정예들과 함께 그리고 다양한 실시예들에서 본 개시물을 이용할 수 있도록 선택되고 설명되었다. 이러한 수정들 및 변형들 모두는, 그것들이 공정하게, 법률적으로 그리고 정당하게 권리가 주어지는 범위에 따라 해석될 때, 첨부된 청구범위에 의해 결정되는 바와 같이, 본 개시물의 범주 내에 있다.
Claims (22)
- 실라보란(silaborane) 분자들을 주입하기 위한 공정으로서,
플라즈마를 생성하고, 이온화된 실라보란 분자들 및 이온화된 저질량(lower mass) 부산물들을 생산하기 위해, 20면체(icosahedral) 구조를 포함하는 실라보란 분자들을 이온 소스에서 기화 및 이온화하는 단계;
이온 빔을 형성하기 위해, 소스 개구를 통하여 상기 플라즈마 내의 상기 이온화된 실라보란 분자들 및 이온화된 저질량 부산물들을 추출하는 단계;
질량 분석기 마그넷으로 상기 이온 빔을 질량 분석하는 단계 ― 상기 질량 분석기 마그넷은 상기 저질량 부산물들 중 선택된 질량의 이온화된(selected ionized mass) 부산물들 또는 상기 이온화된 실라보란 분자들이 관통하도록 허용함 ― ;
최종 에너지를 설정하기 위해 상기 이온 빔을 전달하는 것 및 추가의 가속 또는 감속 전위들을 인가하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 단계; 및
상기 이온화된 실라보란 분자들 또는 상기 저질량 부산물들 중 상기 선택된 질량의 이온화된 부산물들을 소재(workpiece) 안으로 주입하는 단계
를 포함하는, 실라보란 분자들을 주입하기 위한 공정. - 제 1 항에 있어서,
상기 실라보란 분자는 o-실라보란(o-silaborane) 분자를 포함하는, 실라보란 분자들을 주입하기 위한 공정. - 제 1 항에 있어서,
상기 실라보란 분자는 1,2 디메틸 1,2 디실라 클로소 도데카보란(1,2, dimethyl 1,2 disila closo dodecaborane) 분자를 포함하는, 실라보란 분자들을 주입하기 위한 공정. - 제 1 항에 있어서,
상기 실라보란 분자는 화학식 : BnHnSi12-nR12-n을 갖는 20면체 실라보란 분자를 포함하며, R은 실리콘 원자들에 결합된 원자 또는 화합물인, 실라보란 분자들을 주입하기 위한 공정. - 제 4 항에 있어서,
R은 수소 원자, 메틸기, 에틸기, 페닐기, 또는 이들 중 하나를 포함하는 조합물인, 실라보란 분자들을 주입하기 위한 공정. - 제 1 항에 있어서,
상기 실라보란 분자는 5개 초과의 붕소 원자들을 갖는, 실라보란 분자들을 주입하기 위한 공정. - 제 1 항에 있어서,
상기 이온화된 실라보란 분자들 또는 상기 저질량 부산물들 중 상기 선택된 질량의 이온화된 부산물들을 소재 안으로 주입하는 단계는, 스폿 빔을 형성하는 단계 및 적어도 1 차원으로 상기 소재를 기계적으로 스캐닝하는(scanning) 단계를 포함하며,
상기 스폿 빔은 상기 소재와 직교하는, 실라보란 분자들을 주입하기 위한 공정. - 제 1 항에 있어서,
상기 이온화된 실라보란 분자들 또는 상기 저질량 부산물들 중 상기 선택된 질량의 이온화된 부산물들을 소재 안으로 주입하는 단계는, 리본 빔(ribbon beam)을 형성하는 단계 및 직교 방향으로 상기 소재를 기계적으로 스캐닝하는 단계를 포함하는, 실라보란 분자들을 주입하기 위한 공정. - 제 1 항에 있어서,
상기 이온화된 실라보란 분자들 또는 상기 저질량 부산물들 중 상기 선택된 질량의 이온화된 부산물들을 소재 안으로 주입하는 단계는, 직교 방향의 제 2 기계적 축으로 상기 소재에 걸쳐 상기 이온 빔을 전자기적으로 또는 정전기적으로 스캐닝하는 단계를 포함하는, 실라보란 분자들을 주입하기 위한 공정. - 제 1 항에 있어서,
상기 이온 소스는 방열 음극(indirectly heated cathode) 이온 소스인, 실라보란 분자들을 주입하기 위한 공정. - 제 1 항에 있어서,
상기 이온 소스는 이중 플라즈마 이온 소스인, 실라보란 분자들을 주입하기 위한 공정. - 제 1 항에 있어서,
상기 이온 소스는 단일 플라즈마 이온 소스인, 실라보란 분자들을 주입하기 위한 공정. - 제 1 항에 있어서,
상기 이온 소스는 무선 주파수 이온 소스인, 실라보란 분자들을 주입하기 위한 공정. - 제 1 항에 있어서,
상기 실라보란 분자들을 이온 소스에서 기화 및 이온화하는 단계는, 상기 실라보란 분자들을 기화하는 단계 및 상기 기화된 실라보란 분자들을 이온화 장치(ionizer)에서 이온화하는 단계를 포함하는, 실라보란 분자들을 주입하기 위한 공정. - 제 1 항에 있어서,
상기 실라보란 분자들을 이온 소스에서 기화 및 이온화하는 단계는,
제 1 가스로부터 제 1 플라즈마를 발생시키는 단계;
상기 제 1 플라즈마로부터 전자들을 추출하는 단계; 및
상기 이온화된 실라보란 분자들 및 이온화된 저질량 부산물들을 포함하는 제 2 플라즈마를 형성하기 위해 상기 전자들을 상기 기화된 실라보란 분자들과 반응시키는 단계
를 포함하는, 실라보란 분자들을 주입하기 위한 공정. - 제 15 항에 있어서,
상기 제 1 가스는 아르곤, 크세논, 아르곤 삼불화붕소(argon boron trifluoride), 아르센(arsene), 포스핀(phosphene), 산소, 삼불화질소(nitrogen trifluoride) 또는 이들의 조합물들을 포함하는, 실라보란 분자들을 주입하기 위한 공정. - 붕소 원자들을 소재 안으로 주입하기 위한 공정으로서,
20면체 구조를 포함하는 실라보란 분자를 기화하는 단계;
이온 빔을 형성하기 위해 상기 실라보란 분자들을 이온화하는 단계 및 이온들을 이온 소스로부터 추출하는 단계;
최종 에너지를 설정하기 위해 상기 이온 빔의 드리프트(drift)를 전달하는(transport) 것 및 추가의 가속 또는 감속 전위들을 인가하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 단계; 및
원하는 전하-대-질량비를 갖는 선택된 이온들을 상기 소재 안으로 주입하는 단계 ― 상기 선택된 이온들은 상기 붕소 원자들로 분해됨 ―
를 포함하는, 붕소 원자들을 소재 안으로 주입하기 위한 공정. - 제 17 항에 있어서,
상기 선택된 이온들을 주입하는 단계는 상기 원하는 전하-대-질량비를 갖는 이온들을 선택적으로 주입하기 위해 상기 추출된 이온들을 질량 분석하는 단계를 포함하는, 붕소 원자들을 소재 안으로 주입하기 위한 공정. - 제 17 항에 있어서,
상기 이온 소스는 이중 플라즈마 이온 소스인, 붕소 원자들을 소재 안으로 주입하기 위한 공정. - 제 17 항에 있어서,
상기 이온 소스는 단일 플라즈마 이온 소스인, 붕소 원자들을 소재 안으로 주입하기 위한 공정. - 제 17 항에 있어서,
상기 이온 소스는 무선 주파수 유도 이온 소스인, 붕소 원자들을 소재 안으로 주입하기 위한 공정. - 삭제
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