KR102465137B1 - 붕소 이온 주입 동안의 이온 빔 전류 및 성능을 개선하기 위한 붕소-함유 도펀트 조성물, 시스템 및 그의 사용 방법 - Google Patents
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Abstract
붕소 이온 주입 동안의 빔 전류를 개선하기 위한 신규한 조성물, 시스템 및 그 방법이 제공된다. 붕소 이온 주입 공정은 특정 농도 범위의 B2H6, BF3 및 H2를 이용하는 것을 포함한다. B2H6은 활성 수소 이온 화학종의 생성 및 주입 동안에 이용되는 이온 공급원의 동작 아크 전압에서 BF3의 이온화 단면적보다 큰 이온화 단면적을 갖는 것으로 선택된다. 수소는 F 이온 스캐빈징의 감소 없이, 보다 높은 수준의 B2H6이 BF3에 도입되도록 한다. 활성 붕소 이온은 통상의 붕소 전구 물질로부터 발생된 빔 전류와 비교하였을 때, 이온 공급원의 열화 발생 없이 빔 전류 수준의 유지 또는 증가를 특징으로 하는 개선된 빔 전류를 발생시킨다.
Description
본 발명의 분야
본 발명은 개선된 붕소 이온 주입 공정, 및 특히 개선된 빔 전류를 위한, 고유한 조합의 붕소-함유 도펀트 조성물, 시스템 및 그의 사용 방법에 관한 것이다.
이온 주입은 반도체/마이크로 전자 장치의 제조에서 중요한 공정이다. 이온 주입 공정은 집적 회로의 제작에서 도펀트 불순물을 반도체 웨이퍼에 도입하기 위해 사용된다. 바람직한 도펀트 불순물이 반도체 웨이퍼에 도입되어 바람직한 깊이에서 도핑 영역을 형성한다. 도펀트 불순물은 반도체 웨이퍼 물질과 결합하여 전기적 캐리어를 형성함으로써, 반도체 웨이퍼 물질의 전기 전도도를 변경시키는 것으로 선택된다. 도입되는 도펀트 불순물의 농도가 도핑 영역의 전기 전도도를 결정한다. 결국에는 다수의 불순물 영역이 형성되어 트랜지스터 구조물, 절연 구조물 및 다른 전자 구조물을 구성하고, 이들은 집합적으로 반도체 장치로서 기능한다.
도펀트 불순물은 일반적으로 공급원 도펀트 기체로부터 유래된 이온이다. 이온-공급원 필라멘트는 도펀트 기체 공급원을 다양한 도펀트 이온 화학종으로 이온화하는 데 사용된다. 이온이 이온 챔버 내에서 플라즈마 환경을 만든다. 후속적으로 이온은 한정된 이온 빔의 형태로 이온 챔버로부터 추출된다. 생성된 이온 빔은 전형적으로 빔 전류에 의해 특징화된다. 일반적으로 말해서, 빔 전류가 높을수록 보다 많은 도펀트 이온 화학종이 주어진 작업편, 예컨대 웨이퍼로의 주입에 이용가능하도록 허용할 수 있다. 이러한 방식으로, 공급원 도펀트 기체의 주어진 유량에 대하여 보다 많은 주입량의 도펀트 이온 화학종이 달성될 수 있다. 생성된 이온 빔은 질량 분석기/필터를 통해 수송되고, 이어서 작업편, 예컨대 반도체 웨이퍼의 표면으로 수송될 수 있다. 빔의 바람직한 도펀트 이온 화학종이 반도체 웨이퍼 표면에 침투하여, 바람직한 전기적 및/또는 물리적 성질을 갖는 특정 깊이의 도핑 영역을 형성한다.
붕소 주입은 도핑 영역의 전기적 성질 개질을 위해 반도체 산업에서 널리 사용되어 왔으며, 최근에는 도핑 영역의 물리적 성질을 조정하기 위해 바람직한 영역이 불순물로 도핑되는 다른 적용 분야에서도 관심을 끌고 있다. 장치를 제작하는 중에 붕소 주입 단계의 이용이 늘어날수록 개선된 B+ 빔 전류 (즉, 이온 공급원 수명의 단축 없이 발생하는 지속적인 또는 증가한 빔 전류)를 제공할 수 있는 개선된 B 이온 주입 방법이 요구되고 있다. 용어 "B 이온", "B 이온 화학종", "B 이온 도펀트 화학종" 및 "B+ 이온"은 본원 및 본 명세서 전체에서 상호교환하여 사용될 것이라는 것을 알아야 한다. B 이온을 개선된 B+ 빔 전류에서 주입하는 능력은 최종 사용자가 보다 높은 설비 처리율로 늘어난 붕소 주입 단계를 수행하고 생산성의 개선을 달성할 수 있도록 할 것이다.
삼플루오린화붕소 (BF3)는 붕소 주입을 위해 반도체 산업에서 전형적으로 이용되는 도펀트 기체 공급원이다. 그러나, BF3은 B+ 이온을 생성시켜, 오늘날의 적용 분야에서 현재 요구되는 보다 높은 빔을 설정하는 능력에 있어서 한계를 드러냈다. B+ 이온의 생성을 증가시키기 위해, 최종 사용자는 다양한 공정 파라미터를 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 최종 사용자는 관련 산업에서 이온 공급원의 동작 아크 전압이라고도 불리는, 이온 공급원에 투입되는 에너지를 증가시킬 수 있다. 별법으로, 추출 전류를 증가시킬 수 있다. 또한 다르게는, 이온 공급원 챔버에 도입되는 BF3의 유량을 증가시킬 수 있다. 그러나, 이온 주입 챔버의 작동에 있어서 이러한 변화는 이온 공급원 요소에 대하여 불리한 영향을 초래할 수 있으며, 이온 공급원의 수명 뿐만 아니라, 그의 연장된 작동 동안에 안정적인 B+ 이온 빔을 발생시키는 이온 공급원의 효율을 감소시킬 수 있다. 안정적인 B+ 이온 빔은 빔 글리치(glitch) 발생 또는 빔 전류 출력의 강하에 의해 야기될 수 있는 중단 없이 바람직한 빔 전류에서의 B+ 빔의 연속적 공급 및 균일한 빔 프로파일에 의해 한정된다. 예를 들어, 전형적인 이온 주입 공정 동안에 아크 챔버 벽의 온도가 상승함에 따라, BF3으로부터 방출되는 활성 플루오린은 보다 신속히 텅스텐 챔버 벽을 식각 및 부식시킬 수 있게 되고, 이는 캐소드가 W-함유 증착물의 증가한 증착에 더욱 민감하게 만들 수 있다. W-함유 증착물은, 플라즈마를 지속시키는 데 필요한 역치 개수의 전자를 생성하고 또한 B+ 이온을 생성하는 이온 공급원의 능력을 저하시킨다. 추가로, 보다 많은 활성 플루오린 이온이, 이온 공급원 챔버 벽 및 다른 챔버 요소의 증가한 화학적 부식이 발생할 수 있는 소위 불리한 "할로겐 사이클(halogen cycle)"을 전파하는 데 이용가능하다. 따라서, BF3의 이온화를 증가시키기 위해 보다 높은 에너지 준위에서 이온 공급원 챔버를 작동시키는 것은 이온 공급원의 수명을 단축시킬 가능성이 있으므로, 이러한 작동 방식은 바람직하지 않다. 추가로, BF3의 유량이 증가할수록 활성 플루오린 이온을 보다 많이 생성하는 경향이 있고, 이는 아크 방전을 초래하는 이온 공급원 챔버 벽의 화학적 부식 및 고전압 요소 상의 바람직하지 않은 증착을 야기한다. 이러한 공정의 변형은 이온 공급원의 수명을 단축시키는 경향이 있으므로, 이러한 작동 방식은 바람직하지 않다.
현재로서는, 이온 공급원 챔버 요소를 손상시키지 않으면서, B+ 이온의 빔 전류를 유지 또는 증가시키는 실행가능한 기술이 존재하지 않는다. 그러므로, 이온 공급원의 수명을 손상시키지 않으면서, 바람직한 붕소 이온 화학종의 빔 전류를 개선하기 위한 조성물, 시스템 및 그의 사용 방법을 개발해야 한다는 요구가 충족되지 않은 채로 남아 있다.
본 발명은 부분적으로 빔 전류의 증가 및 이온 공급원 수명의 연장을 포함하는, 이온 공급원 성능의 개선을 위한 조성물, 시스템 및 그의 사용 방법에 관한 것이다. 도펀트 기체 조성물이, 빔 전류를 개선하는 능력에 있어서 상당한 영향을 미친다는 것이 본 출원인에 의해 밝혀졌다.
제1 측면에서, 도펀트 기체 조성물이 제공된다. 조성물은, 디보란 (B2H6)을 약 0.1% 내지 10% 범위의 수준으로, H2를 약 5% 내지 15%의 범위로 포함하고 그 나머지는 BF3인 붕소-함유 도펀트 기체 조성물을 포함한다. B2H6은 활성 붕소 이온의 생성 및 주입 동안 이용되는 이온 공급원의 동작 아크 전압에서 상기 BF3의 이온화 단면적보다 큰 이온화 단면적을 갖는 것으로 선택된 것이다. 붕소-함유 도펀트 기체 조성물은 삼플루오린화붕소 (BF3)로부터 발생된 빔 전류와 비교하여 붕소 이온 빔 전류를 증가시키고, 이온 공급원 수명을 연장시킨다.
제2 측면에서, 붕소 이온 주입 동안에 개선된 빔 전류를 제공하기 위한 시스템이 제공된다. 이온 공급원 장치가 제공된다. 장치는 아크 챔버 벽에 의해 부분적으로 한정되고, 여기서 챔버는 챔버 벽 내에 적어도 부분적으로 배치된 붕소 이온 공급원을 포함한다. 상기 이온 공급원 장치와 유체 연통되는 하나 이상의 공급 용기가 제공된다. 용기는 붕소-함유 도펀트 기체 조성물을 보관한다. 조성물은 B2H6을 약 0.1% 내지 10% 범위의 수준으로, H2를 약 5% 내지 15%의 범위로 포함하고 그 나머지는 BF3이다. B2H6은 활성 붕소 이온의 생성 및 주입 동안 이용되는 이온 공급원의 동작 아크 전압에서 상기 BF3의 이온화 단면적보다 큰 이온화 단면적을 갖는 것으로 선택된 것이다. 하나 이상의 공급 용기에 상응하는 하나 이상의 공급 라인이 제공되어, 상기 공급 라인들이 하나 이상의 공급 용기로부터 벽을 통해 챔버 내로 연장된다. 하나 이상의 용기는 상기 붕소-함유 도펀트 조성물을 상기 공급 라인을 통해 상기 이온 공급원 장치 내로 분배하여 붕소-함유 조성물이 이온화되게 함으로써 활성 붕소 이온을 생성하도록 구성된다. 활성 붕소 이온은 단독의 BF3으로부터 발생된 빔 전류와 비교하여 증가된 빔 전류를 발생시킨다.
제3 측면에서, 붕소 이온 주입 동안에 이온 빔 전류의 품질을 증가시키는 방법이 제공된다. 붕소-함유 도펀트 조성물은 B2H6을 약 0.1% 내지 10% 범위의 수준으로, H2를 약 5% 내지 15%의 범위로 포함하고 그 나머지는 BF3이다. 붕소-함유 도펀트 조성물은 이온 공급원 챔버 내로 도입된다. B2H6 및 BF3은, 상기 B2H6이 상기 BF3의 이온화 단면적보다 큰 이온화 단면적을 갖게 되는 미리 결정된 동작 아크 전압에서 이온화된다. 활성 붕소 이온이 생성된다. 단독의 BF3으로부터 발생된 빔 전류와 비교하여 연장된 공급원 수명을 갖는 것을 특징으로 하는 증가된 빔 전류가 발생된다.
본 발명의 목적 및 장점은 첨부 도면과 함께, 그의 바람직한 실시양태에 관한 하기 상세한 설명으로부터 더욱 잘 이해될 것이고, 도면에서 유사 부호는 전체적으로 동일한 특징을 나타내며, 여기서:
도 1은 상이한 에너지 준위에서의 B2H6 및 BF3에 대한 이온화 단면적을 그래프로 나타내고;
도 2는 본 발명의 도펀트 기체 조성물의 상이한 전달 기법을 도시하며;
도 3은 본 발명의 원리가 도입된 이온 공급원을 도시하며;
도 4는 붕소 주입 시스템 내의 도 3의 이온 주입기를 도시하며;
도 5는 본 발명의 도펀트 기체 조성물의 빔 전류 수준을 다른 유형의 붕소계 도펀트 기체 물질과 비교한 것이다.
도 1은 상이한 에너지 준위에서의 B2H6 및 BF3에 대한 이온화 단면적을 그래프로 나타내고;
도 2는 본 발명의 도펀트 기체 조성물의 상이한 전달 기법을 도시하며;
도 3은 본 발명의 원리가 도입된 이온 공급원을 도시하며;
도 4는 붕소 주입 시스템 내의 도 3의 이온 주입기를 도시하며;
도 5는 본 발명의 도펀트 기체 조성물의 빔 전류 수준을 다른 유형의 붕소계 도펀트 기체 물질과 비교한 것이다.
본 발명의 다양한 요소의 관계 및 기능이 하기 상세한 설명에 의해 더욱 잘 이해된다. 상세한 설명은 본 개시내용의 범주 내에서, 다양하게 순열 및 조합된 특징, 측면 및 실시양태를 고려한다. 따라서, 본 개시내용은 이러한 특별한 특징, 측면 및 실시양태의 그러한 조합 및 순열, 또는 그 중 선택된 것 또는 선택된 것들을 포함하거나, 그러한 것들로 이루어지거나, 또는 본질적으로 그러한 것들로 이루어지는 것으로 구체화될 수 있다.
본원 및 본 명세서 전체에서 사용된 "B 이온"은 기판에 주입하기에 적합한 붕소 또는 붕소-함유 양이온, 예컨대 B+를 포함하는 다양한 붕소 이온 도펀트 화학종을 의미한다.
본원에 사용된 모든 농도는, 달리 지시되지 않는 한, 혼합물로서의 조성물의 총 부피를 기준으로 한 부피 백분율 ("부피%")로서 표시된다.
본원 및 본 명세서 전체에서 사용된 "감소"란 본 발명의 도펀트 조성물을 이용하여 B+ 이온을 주입하기 위해 이온 주입 공급원을 작동시킬 때, 이온 주입 공정을 실시하는 동안의 단축, 억제 및/또는 지연을 의미하고자 한다.
본 개시내용은 하나의 측면에서 상응하는 시스템 및 그의 사용 방법과 함께, 통상의 붕소 도펀트 공급원, 예컨대 BF3과 비교하여 붕소 빔 전류를 증가시키기 위한 특정 농도 범위 내에 있는 신규한 붕소-함유 도펀트 조성물에 관한 것이다. "이온화 단면적"은 원자 또는 분자가 이온 공급원으로부터 방출된 전자와 충돌할 때 이온화가 발생할 확률 (면적 단위로 측정됨)로서 정의된다. 본원에 기재되는 바와 같이 본 발명의 도펀트 기체 조성물은 이온 공급원의 수명을 손상시키지 않으면서, 이온 공급원의 성능을 기존의 붕소 도펀트 공급원 물질과 비교하여 개선한다. 이온 공급원의 성능은 빔 전류의 안전성, 공급원 수명 및 빔 글리치의 발생 정도를 포함하는 주요 성능 척도를 고려한다. 본원에 사용된 "빔 글리치 발생"이란 빔 전류의 순간적인 강하를 초래할 수 있는 전압 방전을 말한다. 본 개시내용은 다양한 실시양태로, 본 발명의 다양한 측면 및 특징과 관련하여 본원에 상술된다.
본 발명은 선택적 이온화 조건 하에 특정 조성 농도 범위의 B2H6, BF3 및 수소 구성요소가 이온 빔 전류의 개선을 가능하게 함으로써, 빔 전류가 이온 공급원의 손상 또는 열화 없이 증가할 수 있다는 것을 발견하였다. 이러한 방식으로, 공급원 수명의 단축을 초래하는 허용할 수 없는 수준으로의 증착물의 축적 없이 붕소 이온 빔 전류의 증가가 가능하다.
붕소 도펀트 기체 조성물은 붕소 이온 주입에 전형적으로 이용되는 다른 통상의 공급원 도펀트 기체와 비교하여, 연장된 시간 동안 증가한 빔 전류를 가능하게 한다. 도펀트 조성물은 특정 농도 범위로 함유된 디보란 (B2H6), 삼플루오린화붕소 (BF3) 및 수소 (H2)의 구성요소를 포함한다. 한 실시양태에서, 조성물은 B2H6을 0.1% 내지 10%의 범위로, H2를 약 5% 내지 15%의 범위로 포함하고, 그 나머지가 BF3이다. 바람직한 실시양태에서, 조성물은 B2H6을 0.1% 내지 5%의 범위로, H2를 약 5% 내지 10%의 범위로 포함하고, 그 나머지가 BF3이다. 보다 바람직한 실시양태에서, 조성물은 B2H6을 2% 내지 5%의 범위로, H2를 약 5% 내지 10%의 범위로 포함하고, 그 나머지가 BF3이다. 바람직한 실시양태에서, 조성물은 B2H6을 약 3%, H2를 약 5% 포함하고, 그 나머지가 BF3이다.
조성물의 구성요소 중 어느 하나는 그의 자연 존재비를 넘어 동위원소 농후화될 수 있음을 알아야 한다. 용어 "동위원소 농후화"란 도펀트 기체가, 질량 동위원소 중 어느 하나가 자연 발생 수준에서 존재하는 것보다 높은 농후화 수준을 갖는, 자연 발생 동위원소 분포와 상이한 질량 동위원소 분포를 함유하는 것을 의미한다. 예를 들어, 99% 11BF3 (즉, 본원 및 본 명세서 전체에서 사용된 11BF3)은 질량 동위원소 11B가 99% 농후화되어 함유된 동위원소 농후화 또는 농후화된 도펀트 기체를 나타내고, 반면에 자연 발생 BF3은 질량 동위원소 11B를 80%의 자연 존재비 수준으로 함유한다. 그러므로, 99% 11BF3은 B가 19% 농후화된 것이다. 추가로, 본 발명의 도펀트 조성물은 구성요소 중 하나 이상의 2종 이상의 동위원소 형태를 함유할 수 있다는 것을 알아야 한다. 예를 들어, B2H6이 B11 및 B10이 각각 그의 자연 존재비로 또는 농후화된 비율로 존재하는 양으로 존재할 수 있다.
본 발명의 도펀트 기체 조성물은 B2H6의 이온화 단면적이 BF3의 이온화 단면적보다 큰, 특정 작동 기법으로 이온 주입 공정에 이용된다. 이러한 방식으로, B+ 이온의 생성이 개선된다. 도 1을 참조하면, B2H6이 약 80 V 내지 100 V, 보다 바람직하게는 약 70 V 내지 120 V의 선택된 동작 아크 전압에서 BF3의 이온화 단면적보다 큰 이온화 단면적을 나타낸다. 이러한 선택된 작동 기법으로, 본 출원인은 B2H6의 다양한 붕소-함유 이온 화학종을 생성하는 확률이 보다 높다는 것을 관찰하였다. B2H6으로부터 유래된 붕소-함유 이온 화학종의 존재는 BF3의 이온화 공정을 증강시켜, 이온 공급원의 공급원 필라멘트 (즉, 캐소드)를 열화시키지 않으면서 보다 높은 B+ 빔 전류를 초래한다. 순효과는 이온 빔 성능의 개선이다. 이온 빔 성능의 이러한 개선은 B2H6 및 H2가 미리 결정된 농도 범위 내에 있을 때 나타난다. B2H6은 약 0.1%내지 10%, 바람직하게는 약 1 내지 5%, 보다 바람직하게는 약 2 내지 5%, 가장 바람직하게는 약 3%이고, 수소 농도는 약 5% 내지 15%, 바람직하게는 약 5% 내지 10%, 가장 바람직하게는 약 5%이며, 그 나머지가 BF3이다.
본 발명은, B2H6의 이온화 단면적이 BF3의 이온화 단면적 이하인 기법으로 이온 주입 공정을 실시하면 BF3의 이온화에 있어서 개선을 초래할 수 없다는 것을 인지하였다. 그 결과, B+ 빔 전류의 증가가 관찰될 수 없다.
B2H6의 양은 유해한 효과를 피하기 위해 0.1% 미만일수도 10%를 초과할 수도 없다. 구체적으로, B2H6은 할로겐 사이클 효과를 감소시켜 캐소드 필라멘트의 중량 증가율이 감소하도록 하는 그의 최소 농도 수준 이상으로 존재하여야 한다. B2H6이 0.1% 미만의 수준으로 존재할 때는, 할로겐 사이클에 의한 허용할 수 없을 정도로 높은 캐소드 중량 증가와 함께, 빔 전류의 불충분한 증가가 관찰될 수 있다.
B2H6을 0.1%의 하한 이상으로 유지하는 것 이외에도, B2H6이 상한을 초과해서도 안된다. B2H6을 BF3에 첨가하는 것은 B2H6이 단지 2.5%에 근접한 수준일 때도 F+ 이온의 생성을 증가시키지만, 챔버에 도입되는 플루오린 분자의 첨가에 있어서는 증가가 나타나지 않는다는 것이 놀랍게도 관찰되었다. 작업 실시예에서 확인되는 바와 같이, 2.5% B2H6과 97.5% BF3의 혼합물의 첨가가 BF3-Xe-H2의 혼합물과 비교하여 할로겐 사이클을 감소시키는 것이 관찰되었지만, 2.5% B2H6과 97.5% BF3의 혼합물은 BF3-Xe-H2와 비교하여 이온 공급원의 애노드 영역에서 예상밖의 신속한 중량 손실을 초래하였다. 본원 및 본 명세서 전체에서 사용된 용어 "애노드 영역"은 이온 챔버 벽의 최고온 영역을 의미한다. 예상밖의 중량 손실은 B2H6이 2.5% 또는 그 초과의 값에 근접한 수준으로 존재할 때 F+ 이온의 생성이 증가한 결과로서 발생할 수 있다. 임의의 특정 이론에 구애됨이 없이, B2H6은 이온 공급원에서 이온화되어, 각각 H 및 BxHy 화학종의 라디칼 및 이온을 함유하는 상이한 단편을 생성하는 것으로 생각된다. H 및 BxHy 화학종은 둘다 F 이온 스캐빈저로서의 역할을 한다는 것이 본 출원인에 의해 밝혀졌다. BxHy 이온 및 라디칼은 H 이온 및 라디칼보다 상당히 더 거대하고, 그 결과 H 이온을 포함하는 보다 가벼운 화학종과 비교하여 플라즈마 상에서 보다 느리게 수송되는 경향을 가질 수 있다. 그 결과, BxHy는 아크 챔버 내 모든 위치에 용이하게 수송될 수 없고, 그에 따라 그의 F 이온 스캐빈징 효과가 감소한다. BxHy 이온 화학종이 챔버의 모든 영역으로 분산될 수 없음으로 인해서 이온 공급원의 작동에 심각한 영향을 줄 수 있는데, 그 이유는 챔버 요소의 표면으로부터 식각된 W가 할로겐 사이클에 이용가능한 플루오린 양의 증가에 의해 원치않는 위치에서 재증착될 수 있기 때문이다. 그 결과로 고전압 아크 방전의 경향이 증가한다. BxHy 이온 화학종이 감지할 수 있는 양으로 이온 챔버 내 특정 영역을 차지하지 못하거나, 또는 챔버 내 특정 영역에 전혀 존재하지 않을 수 있기 때문에, 다양한 BxHy 이온 화학종에 의한 F 이온 스캐빈징이 저하되어, 활성 F 이온의 이용가능성이 증가한 결과 F 이온 식각이 증가할 수 있고, 이는 이온 공급원의 수명을 단축시킨다.
붕소 주입 동안에 저하된 F 이온 스캐빈징을 극복하기 위한 접근법은 희석제 기체 혼합물을 BF3에 첨가하는 것을 포함하였다. 예를 들어, Xe와 H2의 기체 혼합물의 병류가 이용되었다. 그러나, 증가한 F 이온 스캐빈징이 달성되는 대신에, BF3과 비교하여 보다 낮은 빔 전류라는 희생이 동반되었다.
본 발명은 H2가 B2H6 및 BF3에 제어되면서 첨가될 경우에 BF3 및 B2H6을 이용할 때의 F 이온 스캐빈징의 결여가 극복되고, 그에 의해 이온 공급원의 수명을 단축시키지 않으면서 보다 많은 B2H6이 BF3에 첨가될 수 있다는 것을 발견하였다. 확인되지 않은 완전히 이해되지 않은 메카니즘으로, H2가 약 5% 내지 15%, 바람직하게는 약 5% 내지 10%, 보다 바람직하게는 약 5%의 특정 농도 범위로 첨가될 때, 이온 공급원의 수명을 연장시키는 것으로 보인다. H2는 본 발명의 규정된 양으로 첨가될 때, 챔버 요소를 식각할 수 있는 활성 F 이온의 이용가능성을 감소시킬 수 있다. 그 결과, 작업 실시예에서 확인되는 바와 같이, 애노드 영역의 중량 손실이 감소하고, 또한 캐소드 필라멘트의 중량 증가가 감소한다. H2를 제어된 양으로 B2H6 및 BF3에 첨가함으로써, 이온 주입 공정 동안에 챔버에 축적되는 F 이온의 증가 없이 증가한 B 이온 빔 전류를 발생시키는 데 보다 큰 분율의 B2H6이 이용된다. 작업 실시예에서 확인되는 바와 같이, 단독의 BF3 (비교 실시예 1)과 비교하여, 본 발명의 바람직한 조성물 (실시예 1 및 2)은 약 5% 이하의 H2가 혼입되어, 캐소드의 중량 증가를 감소시키고 또한 아크 챔버 벽의 식각을 감소시키면서 15% 더 높은 빔 전류를 달성한다. 이러한 방식으로, 본 발명은 붕소 이온 전류를 증가시킴과 동시에 또한 이온 공급원의 수명을 연장시킬 수 있고, 이들 두 작용은 본 발명이 완성되기 전에는 일반적으로 서로가 상호 배타적인 상충되는 성능 척도로 간주되었다.
바람직한 실시양태에서, 수소, B2H6 및 BF3의 본 발명의 혼합물은 다른 불활성 기체, 예컨대 아르곤 또는 크세논이 부재한 것을 특징으로 한다. 붕소의 이온화를 용이하게 하기 위해 수소, B2H6 및 BF3의 본 발명의 혼합물에 다른 불활성 기체가 첨가될 필요가 없을 수 있다는 것이 관찰되었다. 그러므로, 바람직한 실시양태에서, 본 발명의 붕소-함유 조성물은 구체적으로 크세논 또는 아르곤과 같은 다른 불활성 기체를 제외한다. 작업 실시예에서 확인되는 바와 같이, 본 출원인은 다른 불활성 기체가 부재한 것을 특징으로 하는, 수소, B2H6 및 BF3의 본 발명의 혼합물이 BF3+Xe+H2의 혼합물 (비교 실시예 2)과 비교하여 빔 전류를 대략 30% 증가시킨다는 것을 발견하였다.
도 2a, 2b 및 2c에 도시된 다수의 공급 구성이 본 발명의 조성물을 형성하는 데 이용될 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 화학종은 도 2a에 도시된 바와 같이, 단일 공급원으로부터 보관 및 전달될 수 있다. 구체적으로, 도 2a는 본 발명의 기체 조성물이 단일 공급원 보관 용기(210)로부터 공급되는 것을 도시하고, 여기서 조성물은 본 발명의 농도 수준으로 예비-혼합된다. 단일 공급원 보관 용기는 임의의 유형의 용기를 사용하여 보관 및 전달될 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 미국 특허 5,937,895; 6,045,115; 6,007,609; 7,708,028; 및 7,905,247에서 개시된 바와 같이, 아대기압(sub-atmospheric) 업타임(Uptime)® 전달 패키지가 이용될 수 있고, 이들 특허는 모두 그의 전문이 본원에 참조로 포함된다. 아대기압 전달 장치는 장치 내에 도펀트 혼합물을 가압 상태로 유지함과 동시에, 고압 실린더와 전형적으로 관련있는 누출 또는 심각한 파열의 발생 위험을 최소화하거나 또는 제거하도록 설계된다. 장치는, 아대기압 조건이 방출 유동 경로를 따라 달성될 때 도펀트 혼합물의 하류 공정으로의 제어 유동을 허용하도록 진공 작동된다.
본 발명의 구성요소가 단일 공급원으로부터 공급될 때, 본 발명에 따라서 규정된 양으로 수소가 존재하는 것은 일반 화학식 BxHy로 표시되고, 여기서 x는 2를 초과하는 것인 보다 고급의 보란을 생성하는, B2H6과 BF3의 혼합물의 분해를 감소시킬 수 있다. 보다 고급인 보란의 일부 예는 B3H9, B5H9, B4H10 또는 B10H18을 포함할 수 있다. 또한, 화학적 안정성이 내용물을 주위 조건 미만의 온도, 예컨대 20 내지 -30℃, 보다 바람직하게는 20 내지 4℃ 범위의 온도에서 보관함으로써 추가로 향상될 수 있다.
별법으로, 본 발명의 도펀트 조성물은 각 화학종을 순차적으로 유동시키거나 또는 병류 유동시킴으로써 이온 공급원 챔버 내에서 형성될 수 있다. 도 2b는 유량 제어 장치(212 및 214)가 기체 조성물의 제어 유동을 공급하는 데 사용될 수 있고, 각 보관 용기로부터의 바람직한 유동이 이온 공급원 챔버(112)에 도입되기 전에 전달 라인에서 예비혼합될 수 있다는 것을 도시한다. 보관 용기 중 어느 하나는 구성요소 기체 중 어느 하나를 순수한 형태로 함유할 수 있다. 예를 들어, 보관 용기(210)는 순수한 BF3을 함유하고, 보관 용기(213)는 예비-혼합된 B2H6과 H2의 바람직한 조성물을 함유한다. 또 다른 구성으로, 도 2c는 보관 용기(210 및 213)로부터의 유동이 별도로 이온 공급원 챔버(112)에 도입되어, 본 발명의 도펀트 기체 조성물을 형성할 수 있다는 것을 도시한다.
임의의 적합한 이온 주입 장치가 본 발명과 함께 이용될 수 있다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 농도 범위의 B2H6, BF3 및 H2의 붕소-함유 도펀트 조성물로부터 유래된 B 이온을 주입하기 위한 대표적 이온 주입 장치(300)가 도시되어 있다. 도 3에 도시된 이온 공급원 장치(300)는 본 발명의 붕소-함유 도펀트 기체 조성물을 그의 상응하는 붕소 활성 이온으로 이온화하기 위한 이온 공급원으로서 작용할 수 있는, 간접 가열 캐소드 (IHC)(315)를 포함하는 다양한 요소를 갖는다. 본 발명의 도펀트 기체 조성물이, 예를 들어 프리만(Freeman) 공급원, 베르나스(Bernas) 공급원 및 RF 플라즈마 공급원을 포함하는, 관련 기술분야에서 공지된 다른 유형의 이온 공급원과도 적합하다는 것을 알아야 한다.
도 1의 이온 공급원 장치(300)는 붕소 이온을 반도체 기판에 주입하기 위한 이온 빔의 발생에 사용될 수 있다. 붕소 이온이 B2H6 및 BF3의 이온화로부터, 단독의 BF3으로부터 발생된 빔 전류와 비교하여 보다 높은 붕소 이온 빔 전류를 발생시키는 방식으로 생성된다. 임의의 특정 이론에 구애됨이 없이, 붕소-함유 도펀트 조성물의 특정 조성 범위 및 이온 공급원 장치(300)의 신중히 선택된 작동 조건 하에, BF3 및 B2H6이 상승작용하는 방식으로 서로 상호작용하여, 증가한 양의 B 활성 이온을 생성함으로써 증가하고 개선된 빔 전류를 발생시키는 이온화 메카니즘을 초래하는 것으로 생각된다. 본원에 사용된 "B 활성 이온"은 주입을 위해 이용가능한, 일반 화학식 B+의 붕소 이온을 의미한다.
본 발명에 기재된 도펀트 기체 조성물은 바람직하게는 이온 공급원 캐소드(315)의 수명이, 적어도 부분적으로, 이온 공급원 장치(300)의 작동 동안에 공급원 캐소드(315)의 최소 중량 변화율에 근거하여, 통상의 붕소 도펀트 이온 주입 시스템과 비교하여 연장되도록 한다. 최종 결과는 조기 파괴에 적용되지 않음으로써, 공급원 캐소드(315)가 연장된 시간 동안 작동 상태를 유지하여 처리율이 증가한 이온 공급원 캐소드(315)이다. 이러한 방식으로, 본 발명은 단독의 11BF3으로부터 발생된 빔 전류와 비교하여 붕소 이온 빔 전류를 유지 또는 증가시킴과 동시에, 기존에 가능했던 통상의 전구 물질, 예컨대 11BF3을 이용하는 것보다 장기간 동안 공급원 필라멘트(315)의 온전성을 유지할 수 있는 고유한 붕소-함유 도펀트 기체 조성물을 갖는다.
또한 도 3의 이온 공급원 장치(300)를 참조하면, 붕소-함유 도펀트 기체 조성물 스트림(302)은 BF3, B2H6 및 H2를 포함하며, 바람직하게는 미리 결정된 비율로 함유된 단일 스트림으로서 전달되고, 이는 아크 챔버 벽(311)을 관통해 연장되는 기체 공급 라인을 통해 이온 공급원 챔버(312)에 도입된다. 공급원 챔버(312) 내부의 붕소-함유 도펀트 기체 조성물(303)은 전력 공급원 (도시되지 않음)으로부터 미리 결정된 전압을 인가하여 IHC(315)에 초근접 위치하는 텅스텐계 필라멘트(314)를 저항 가열함으로써 이온화에 적용된다. 필라멘트(314)는 IHC(315)에 대하여 역방향 바이어스될 수 있다. 전류가 전력 공급원을 통해 필라멘트(314)에 인가되어 필라멘트(314)를 저항 가열한다. 절연체(318)가 제공되어 캐소드(315)를 아크 챔버 벽(311)으로부터 전기 절연시킨다.
전자가 캐소드(315)에 의해 방출된다. 방출된 전자는 붕소-함유 도펀트 조성물(303) 분자의 B2H6 및 BF3을 가속하고 이온화하여, 챔버(312) 내에 플라즈마 환경을 만든다. 반사 전극(316)이 붕소-함유 도펀트 조성물(303) 분자의 이온화를 지속시킴으로써, 아크 챔버(312)에서의 플라즈마 환경을 유지하기 위해 전자를 반발시키는 음전하를 집적시킨다. 반사 전극(316)은 바람직하게는 IHC(315)의 실질적인 정반대편에 구성되어, 챔버(312) 내에서의 도펀트 기체 조성물(303)의 이온화를 유지한다. 아크 챔버 벽(311)은 그를 통해 잘 한정된 이온 빔(321)이 아크 챔버(312)로부터 추출되는 추출 개구(317)를 포함한다. 추출 시스템은 추출 개구(317)의 전방에 위치하는 추출 전극(320) 및 억제 전극(319)을 포함한다. 추출 및 억제 전극(320 및 319)은 둘다 붕소 이온 주입을 위해 사용될 수 있는 잘 한정된 이온 빔(321)의 추출을 위해 추출 개구(317)에 맞추어 정렬된 각각의 개구를 갖는다.
붕소-함유 도펀트 기체 조성물(303)의 이온화는 B2H6, BF3 및 H2의 각 구성요소, 및 이들의 상응하는 임의의 이온 화학종의 상승작용하는 상호작용으로부터 다양한 이온화 화학종의 생성을 초래할 수 있다. 선택된 동작 아크 전압에서의 상응하는 이온화 단면적 (도 1)에 의해 이온 공급원 장치(100) 내에서의 B2H6 및 BF3의 상승작용하는 상호작용을 바람직하게 허용하는 아크 전압의 선택을 포함하는 충분한 작동 조건 하에, 이온 챔버(312)에 도입되는 붕소-함유 도펀트 조성물의 각 구성요소의 상대적인 양을 제어함으로써, 통상의 붕소 도펀트 조성물과 비교하여 증가한 빔 전류가 발생하고 연장된 시간 동안 지속된다.
W-함유 증착물 형성의 감소는 IHC(315)의 고온 표면 상의 W-함유 증착물의 확산 및 분해 감소로 해석된다. 따라서, 이온 공급원 장치(300)의 작동 동안에 IHC(315)의 중량 증가율 뿐만 아니라, 챔버의 애노드 영역에서의 중량 손실율이 실질적으로 감소한다. 최종 결과는 빔 글리치 발생 빈도의 감소 또는 빔 글리치 발생의 제거이고, 그에 따라 빔 안정성이 증가하고 이온 공급원 장치(300)의 작동 수명이 연장된다.
도 4는 이온 주입 시스템(400)에 혼입된 도 3의 이온 공급원 장치(100)를 도시한다. 도 3의 이온 공급원 장치(300)의 모든 요소가 도 4에 혼입된다는 것을 통상의 기술자라면 알 것이다. 그에 따라, 도 4에 도시된 이온 공급원 장치(300)의 요소 및 특징은 도 3에 도시된 요소 및 특징과 관련하여 이해하여야 한다.
도 4는 도펀트 기체 조성물이 도펀트 기체 박스(401)로부터 공급될 수 있다는 것을 도시한다. 도펀트 기체 조성물은 바람직한 배합으로 기체 박스(401) 내의 단일 공급 용기에서 예비-혼합 조성물로서 제공될 수 있다. 별법으로, 기체 박스(401)는 B2H6 및 BF3의 각 구성요소가 기체 키트의 일부로서 별도의 분배 용기에서 공급될 수 있고, 이들이 후속적으로 기체 키트의 일부로 간주될 수 있는 상응하는 유량 제어기를 이용하여 제어된 유량으로, 연속적으로 또는 반연속적으로, 병류 유동 또는 순차적 유동하도록 구조화되고 배열될 수 있다. 수소는 B2H6과 예비-혼합될 수 있다. BF3 및 B2H6-H2의 유량은 제어되면서 이온 공급원 장치(400)를 향해 인도되어, 바람직한 농도 범위의 목적하는 붕소-함유 도펀트 기체 조성물을 형성한다. 이러한 도펀트 기체 조성물은 공급원 챔버(400)로의 유입구 및/또는 그 내부에서 생성될 수 있다. 개별 구성요소가 혼합되는 위치는 이온 공급원 장치(400)의 상류 또는 장치(400)의 챔버(412) 내부일 수 있다.
또한 도 4를 참조하면, 붕소 함유 도펀트 기체 조성물은 바로 직전에 기재된 방식으로 예비-혼합된 단일 공급원으로서 또는 BF3 및 B2H6-H2의 개별 화학종으로서, 장치(300)로 병류 유동 또는 순차적 유동하는 방식으로 박스(401)로부터 이온 공급원 장치(400)에 도입된다. 장치(300)의 선택된 아크 전압을 발생시키기 위해 챔버(312) (도 3)에 에너지를 도입하기 위한 수단으로서 전압이 이온 공급원 필라멘트(314)에 인가되어, 붕소-함유 도펀트 기체 조성물을 이온화하고 주입에 이용가능한 충분한 농도의 활성 붕소 이온을 생성한다. 바람직하게는, 이온 공급원(314)에 투입되는 에너지 (즉, 아크 전압)가 약 80 V 내지 120 V의 범위에서 유지되어, 증가한 양의 활성 B+ 이온을 생성하는 이온화 메카니즘을 초래하는 상승작용하는 방식으로 본 발명의 도펀트 조성물의 구성요소 및 그의 상응하는 이온 화학종의 상호작용을 가능하게 한다. 그에 따라, 챔버(312) 내에 플라즈마 환경이 만들어진다. 이온 빔 추출 시스템(401)은 도 2에 도시된 붕소-함유 도펀트 공급 시스템의 일부를 형성하고, 붕소 이온 주입을 위해 사용될 잘 한정된 붕소 빔(321)을 추출하도록 구성된 추출 전극(320) 및 억제 전극(119)을 포함한다. 빔(321)은 임의적 질량 분석기/필터(405)를 통해 수송되어, 주입되는 붕소 이온 화학종을 다른 화학종으로부터 선택하고, 자기 포착할 수 있다. 구체적으로, 질량 분석기/필터(405)는 표적 활성 붕소 이온만을 공정 챔버 또는 최종 스테이션(410)으로 계속 이동시키도록 배열된다. 이후 붕소 이온 빔(407)은 필요에 따라 가속/감속 유닛(406)에 의해 가속/감속된 다음, 활성 붕소 이온을 작업편(409)에 주입하기 위해 최종 스테이션(410)에 위치하는 웨이퍼 또는 표적 작업편(409)의 표면으로 수송될 수 있다. 빔의 활성 붕소 이온은 작업편(409)의 표면과 충돌하고 바람직한 깊이로 그 표면에 침투하여, 바람직한 전기적 및 물리적 성질을 갖는 영역을 형성한다. 본 발명의 방법 및 기술을 이용함으로써, 시스템(400) 내에 포함된 이온 공급원 장치(300)의 빔 전류는 이온 공급원의 수명 단축을 발생시키지 않으면서, 통상의 붕소 이온 도펀트 시스템보다 상당히 증가할 수 있다. 그러므로, 본 발명은 다른 공정 이점 중에서도, 이온 공급원 장치(400)의 처리율을 증가시키는, 붕소 이온 주입 산업에서의 진보를 나타낸다.
붕소 이온 주입 공정(400)의 구조화 및 설계에 있어서 다양한 변화가 본 발명의 상이한 실시양태에서 이용될 수 있다는 것을 주목해야 한다. 또한, 구조화 및 설계의 세부사항은 이온 공급원 장치(300) 및 상응하는 주입 공정(400)에 사용되는 붕소-함유 도펀트 조성물과 관련있는 경우를 제외하면, 본 발명의 수행에 있어서 중요하지 않다.
추가로, 이온 공급원 장치(300)는 상업적 이온 주입기에 통상 사용되는 이온 공급원, 예컨대 프리만 및 베르나스 유형의 공급원, 간접 가열 캐소드 공급원 및 RF 플라즈마 공급원 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 압력, 필라멘트 전류 및 아크 전압을 포함하는 이온 공급원 작동 파라미터는, 선택된 파라미터하에 B2H6이 BF3과 비교하여 보다 큰 이온화 단면적을 갖도록 하는 B2H6 및 BF3을 포함하는 붕소-함유 도펀트 기체 조성물의 바람직한 이온화를 달성함으로써, 본 발명의 원리에 따라서 이온화 및 활성 B 이온의 생성을 향상시키도록 조정된다.
본 출원인은 본 발명의 붕소-함유 도펀트 기체 조성물을 다른 도펀트 기체 물질과 비교하기 위해, 이제부터 하기 실시예에서 논의되는 바와 같이 여러 실험을 수행하였다. 하기에 기재된 모든 시험에 있어서, 이온 공급원 필라멘트의 중량 증가 또는 손실 및 애노드의 중량 증가 또는 중량 손실이 관련 기술분야에서 공지된 시험 전후에 이온 공급원 필리멘트의 중량을 측정함으로써 각각 측정된다는 것을 주목해야 한다. 전류는 관련 기술분야에서 널리 공지된 표준 기술에 의해 패러데이 컵(Faraday cup)을 사용하여 측정된다. 아크 전류, 아크 전압, 추출 전압 및 공급원 압력의 공급원 파라미터는 모든 실험에 대해 동일하게 유지되었다.
비교
실시예
1 (
11
BF
3
)
11BF3만으로 구성된 도펀트 기체 조성물 (즉, 도 5에서 샘플 "A"라 지정된 것)로부터 유래된 이온 빔의 이온 빔 성능을 평가하기 위해 이온화 시험을 수행하였다. 챔버 내부는 나선형 필라멘트 및 나선형 필라멘트의 축에 대하여 수직으로 위치하는 애노드를 포함하도록 구조화된 이온 공급원으로 이루어져 있다. 이온화 공정 동안에 애노드를 고정된 상태로 유지하기 위해 기판 플레이트를 애노드의 전방에 위치시켰다. 11BF3을 이온 공급원 챔버에 도입하였다. 전압을 이온 공급원에 인가하여, 11BF3을 이온화하고 붕소 이온을 생성하였다. 측정된 빔 전류가 도 5에 도시되어 있다.
필라멘트가 신속한 속도로 중량이 증가하였고 이온 공급원의 수명에 악영향을 미쳤다는 것이 관찰되었다. 또한, 이온 공급원의 원치않는 위치에 물질이 축적되었다. 이러한 축적된 증착물은 대부분이 W로 이루어져 있다. 이러한 축적은 이온 공급원 챔버에서의 이온화 동안에 11BF3의 해리로 인해 형성된 플루오린 이온/라디칼에 기인한 것이었다.
빔 전류가 이온 주입을 위해 사용가능한 잘 한정된 붕소 이온 빔을 발생시키기 위한 목적에 허용가능한 것으로 간주되었으므로, 이것을 1.0의 값으로 표준화하여 이 값에 대하여 다른 시험을 비교할 것이다. 그러나, 표 1에 나타나 있는 바와 같이, 28.5 mg/hr의 상당한 캐소드 필라멘트 중량 증가율이 관찰되었다. 시험 동안에 필라멘트 상에 축적된 다양한 W-함유 증착물이 그의 열전자 방출율을 감소시켜, 공급원 기체의 불충분한 이온화로 인한 빔 전류의 궁극적인 손실을 초래하고, 이로써 시험은 중단될 필요가 있었다. 이러한 결과는 B 이온 도펀트 공급원으로서 11BF3을 단독으로 이용할 때 직면하게 되는 전형적인 문제인 것으로 생각된다.
비교
실시예
2 (
11
BF
3
+
Xe
/H
2
)
챔버에서 2.25%Xe + 12.75% H2 + 85% 11BF3의 혼합물로 구성된 도펀트 기체 조성물 (즉, 도 5에서 샘플 "B"라 지정된 것)로부터 수득된 이온 빔 전류를 평가하기 위해 이온화 시험을 수행하였다. 비교 실시예 1의 기준 시험을 수행할 때와 동일한 이온 공급원 챔버를 이용하였다. 11BF3을 별도의 공급원으로서 챔버에 도입하였고, 희석제 크세논/수소는 또 다른 공급원으로부터 이온 공급원 챔버에 도입하였다. 11BF3 및 크세논/수소를 2.25% Xe + 12.75% H2 + 85% 11BF3의 도펀트 기체 조성물을 생성하는 데 요구되는 양으로 챔버 내에 도입하였다.
전압을 이온 공급원에 인가하여, 도펀트 조성물을 이온화하고 붕소 이온을 생성하였다. 빔 전류를 비교 실시예 1의 11BF3으로 인한 빔 전류에 대하여 표준화하여 도 5에 도시하였다. 샘플 B에 대한 빔 전류를 측정하였고, 이것은 도 5에 도시된 바와 같이, 11BF3만을 이용하여 발생된 것보다 약 15% 더 낮은 것으로 판명되었다. 표 1에 나타나 있는 바와 같이, 1.43 mg/hr의 캐소드 필라멘트 중량 증가율 및 -0.75 mg/hr의 애노드 영역 중량 손실율이 수집되었다. 증착물로 인한 필라멘트의 중량 증가율은 비교 실시예 1의 11BF3보다 상당히 낮아졌고, 이는 할로겐 사이클을 지속시키고 추가적 텅스텐 챔버 요소를 식각하는 데 보다 적은 활성 F 이온이 이용가능하다는 것을 시사한다. 그 결과, 할로겐 사이클은 비교 실시예 1과 비교하여 감소하였다. 빔 글리치가 비교 실시예 1과 비교하여 감소하여 발생하였다. 그러나, 크세논/수소 희석제는 할로겐 사이클 및 W-함유 증착물을 감소시킨 대신에, 11BF3을 단독으로 이용하여 발생된 것보다 낮은 빔 전류를 발생시켰다 (도 3). 이러한 결과는 희석제 기체 혼합물을 사용하는 통상의 붕소-함유 도펀트 기체 전구체의 지표이다.
비교
실시예
3 (97.5%
11
BF
3
+ 2.5%
B
2
H
6
)
챔버에서 97.5% 11BF3 + 2.5% B2H6의 혼합물로 구성된 도펀트 기체 조성물 (즉, 도 5에서 샘플 "C"라 지정된 것)로부터 수득된 이온 빔 전류를 평가하기 위해 이온화 시험을 수행하였다. 순수한 11BF3을 하나의 공급원으로부터 유동시켰고, 5% B2H6-11BF3의 혼합물을 또 다른 공급원으로부터 유동시켰다. 구성요소를 챔버에 도입하여, 97.5% 11BF3 + 2.5% B2H6을 포함하는 조성물을 형성하였다. 비교 실시예 1 및 2의 시험을 수행할 때와 동일한 이온 공급원 챔버를 이용하였다.
전압을 이온 공급원에 인가하여, 도펀트 기체 혼합물을 이온화하고 붕소 이온을 생성하였다. 빔 전류를 측정하여, 이것을 도 5에 도시된 바와 같이, 11BF3으로 인한 빔 전류에 대하여 표준화하였다. 빔 전류는 비교 실시예 1 또는 2보다 높은 것으로 판명되었다. 그러나, 표 1에 나타나 있는 바와 같이, 0.3 mg/hr의 캐소드 필라멘트 중량 증가율이 수집되었다. 추가로, -5.1 mg/hr의 애노드 영역 중량 손실율이 수집되었다. 캐소드 필라멘트의 중량 증가율 및 애노드 영역의 중량 손실율은 집합적으로 허용할 수 없을 정도로 단축된 이온 공급원의 수명을 시사한다. 이러한 결과는 통상의 붕소-함유 도펀트 기체 혼합물의 지표이다.
비교
실시예
4 (5%
B
2
H
6
+ 95%
11
BF
3
)
챔버에서 95% 11BF3 + 5% B2H6의 혼합물로 구성된 도펀트 기체 조성물 (즉, 도 5에서 샘플 "D"라 지정된 것)로부터 수득된 이온 빔 전류를 평가하기 위해 이온화 시험을 수행하였다. 비교 실시예 1, 2 및 3의 시험을 수행할 때와 동일한 이온 공급원 챔버를 이용하였다. 도펀트 기체 조성물을 예비-혼합하여 단일 공급원으로부터 챔버에 도입하였다.
전압을 이온 공급원에 인가하여, 도펀트 기체 조성물을 이온화하고 붕소 이온을 생성하였다. 빔 전류를 측정하여, 이것을 11BF3으로 인한 빔 전류에 대하여 표준화하였다. 빔 전류는 비교 실시예 1, 2 및 3보다 높은 것으로 판명되었다.
샘플 D가, 이미 허용할 수 없는 것으로 판명된 샘플 C의 공급원 수명과 대등하거나 또는 그 보다 더 불량한 공급원 수명을 나타낼 것으로 예상되기 때문에, 공급원 수명 데이터는 수집하지 않았다.
실시예
1 (5%
B
2
H
6
+ 5% H
2
+ 90%
11
BF
3
)
챔버에서 5% B2H6 + 5% H2 + 90% 11BF3으로 구성된 붕소-함유 도펀트 기체 조성물 (즉, 도 5에서 샘플 "E"라 지정된 것)로부터 수득된 이온 빔 전류를 평가하기 위해 이온화 시험을 수행하였다. 비교 실시예 1, 2, 3 및 4의 시험을 수행할 때와 동일한 이온 공급원 챔버를 이용하였다. 조성물을 단일 전달 용기로 예비-혼합하여 도입하고, 그로부터 이온 공급원 챔버에 전달하였다.
전압을 이온 공급원에 인가하여, 붕소 도펀트 기체 조성물을 이온화하고 붕소 이온을 생성하였다. 빔 전류를 측정하여, 이것을 11BF3 (비교 실시예 1)로 인한 빔 전류에 대하여 표준화하였다. 빔 전류는 11BF3을 이용할 때 발생된 것보다 높은 것으로 판명되었다.
표 1에 나타나 있는 바와 같이, -2.5 mg/hr의 캐소드 필라멘트 중량 손실율 및 -1.1 mg/hr의 애노드 영역 중량 손실율이 수집되었다. 이 샘플은 어떤 비교 실시예보다도 감소한 중량 변화를 보였다. 이 조성물은 이온 공급원 수명을 단축시키지 않으면서, 증가한 빔 전류를 발생시키고 보다 높은 빔 전류를 지속시켰다.
실시예
2 (3%
B
2
H
6
+ 5% H
2
+ 92%
11
BF
3
)
3% B2H6 + 5% H2 + 92% 11BF3으로 구성된 붕소-함유 도펀트 기체 조성물 (즉, 도 5에서 샘플 "F"라 지정된 것)로부터 수득된 이온 빔 전류를 평가하기 위해 이온화 시험을 수행하였다. 비교 실시예 1, 2, 3 및 4의 시험을 수행할 때와 동일한 이온 공급원 챔버를 이용하였다. 조성물을 단일 전달 용기로 예비-혼합하여 도입하고, 그로부터 이온 공급원 챔버에 전달하였다.
전압을 이온 공급원에 인가하여, 붕소 도펀트 기체 조성물을 이온화하고 붕소 이온을 생성하였다. 빔 전류를 측정하여, 이것을 11BF3 (비교 실시예 1)로 인한 빔 전류에 대하여 표준화하였다. 빔 전류는 11BF3을 이용할 때 발생된 것보다 높은 것으로 판명되었다.
표 1에 나타나 있는 바와 같이, -0.6 mg/hr의 캐소드 필라멘트 중량 손실율 및 -0.9 mg/hr의 애노드 영역 중량 손실율이 관찰되었다. 이러한 공급원 수명 데이터 값은 샘플 F의 조성물이 이온 공급원 수명을 단축시키지 않으면서, 보다 높은 빔 전류를 지속시킬 수 있다는 것을 시사한다.
실시예 1 및 2는 비교 실시예 1 내지 4와 비교하여 이온 빔의 품질 향상을 입증하였다. 본 발명에 의해, W-함유 챔버 요소의 식각이 본 발명의 붕소-함유 도펀트 기체 조성물을 사용할 때 상당히 감소한다는 것이 입증되었다. 증착물의 감소는 빔 불안정성 및 궁극적인 빔 글리치 발생을 감소시키거나 또는 제거함으로써, 이온 챔버의 공급원 수명 동안에 붕소 빔 전류를 개선한다. 추가로, 선행기술의 방법과 달리, 본 발명의 조성물, 시스템 및 그의 사용 방법은 이온 공급원 수명의 손상, 열화 또는 단축 없이 빔 전류를 증가시킬 수 있다. 연장된 이온 공급원과 함께 향상된 품질의 붕소 빔 전류는 처리율을 증가시킬 수 있고, 공정 작업편의 요구되는 도펀트 주입량을 달성하기 위한 사이클 시간을 단축시킬 기회를 제공한다.
이온화 관점에서 보면, 실시예 1 및 2는 또한 본 발명의 특정 붕소-함유 조성물이 이온 공급원을 열화시키지 않으면서, 붕소 활성 이온 및 증가한 빔 전류를 발생시킬 수 있다는 것을 입증하였다. 특히, 본 발명의 바람직한 농도 범위 내의 B2H6, BF3 및 H2의 혼합물은 선택된 아크 전압 작동 조건에서 서로와의 상호작용을 상승작용하는 방식으로 촉진하여, 개별적으로 이온화된 B2H6 및 BF3으로부터 이용가능한 전체 붕소 이온의 단순 부가 효과와 적어도 대략적으로 대등한 증가한 양의 활성 붕소 이온을 생성할 수 있는 붕소 이온화 메카니즘을 초래하였다. 순효과는 통상의 붕소 전구 물질을 이용하는 통상의 시스템 및 공정과 비교하여, 붕소 빔 전류의 개선이다.
추가로, 본 발명은 증착물을 감소시키기 위한 목적으로 희석제 기체 혼합물, 예컨대 Xe/H2를 필요로 하는 통상의 붕소 이온 주입 시스템 및 방법의 단점을 극복할 수 있다. 희석제 기체 혼합물은 이온 공급원 챔버로의 단위 기체 유량 당 이용가능한 활성 붕소 이온 개수를 감소시킴으로써, 처리율을 감소시키는 경향이 있다. 따라서, 희석제 기체 혼합물을 이용하는 통상의 붕소 도펀트 조성물의 경우에 전형적으로 직면하게 되는 이러한 소위 "희석 효과"는, 본 발명이 공급원 수명을 연장시키는 데 있어서 희석제 기체 혼합물의 혼입에 의존하지 않으므로, 본 발명에서는 제거된다.
본 발명은 또한 다른 공정 이점을 제공한다. 예를 들어, 본 발명에서 달성가능한 증가한 빔 전류는 임의의 추가적 기체 스틱(stick) (예를 들어, 유량 제어 장치, 압력 모니터링 장치, 밸브 및 전자 인터페이스)의 필요성을 제거할 수 있고, 그에 따라 추가적 기체 스틱의 이용과 관련된 자본 비용의 상당한 절감을 제공한다.
본 발명의 특정 실시양태라 간주되는 것이 도시되었고 기재되었지만, 구성 또는 세부사항에 있어서 다양한 수정 및 변화가 본 발명의 취지 및 범주로부터 벗어나지 않으면서 용이하게 이루어질 수 있음을 당연히 알 것이다. 그러므로, 본 발명은 본원에 도시되었고 기재된 구성 및 세부사항 그대로, 또는 본원에 기재되었고 하기에 청구된 본 발명의 전체내용이 아닌 어떤 것으로도 제한하려는 것이 아니다.
Claims (18)
- 디보란 (B2H6)을 0.1% 내지 10% 범위의 수준으로, H2를 5% 내지 15%의 범위로 포함하고, 그 나머지는 BF3인 붕소-함유 도펀트 기체 조성물을 포함하며,
여기서 상기 B2H6은 활성 붕소 이온의 생성 및 주입 동안에 이용되는 이온 공급원의 동작 아크 전압에서 상기 BF3의 이온화 단면적보다 큰 이온화 단면적을 갖는 것으로 선택된 것이고,
상기 붕소-함유 도펀트 기체 조성물은 삼플루오린화붕소 (BF3)로부터 발생된 빔 전류와 비교하여 붕소 이온 빔 전류를 증가시키고 이온 공급원 수명을 연장시키는 것인
도펀트 기체 조성물. - 제1항에 있어서, 상기 B2H6이 2 내지 5%이고, 상기 H2가 5 내지 10% 범위의 수준이고, 그 나머지가 BF3인 도펀트 기체 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 B2H6, 상기 H2 및 그 나머지의 BF3이 단일 보관 및 전달 공급원으로부터 공급되는 것인 도펀트 기체 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 B2H6 및 BF3이 별도의 보관 및 전달 공급원에서 공급되어 상기 이온 공급원의 챔버 내에서 붕소-함유 도펀트 기체 조성물을 형성하는 것인 도펀트 기체 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 붕소-함유 도펀트 기체 조성물이 불활성 기체의 부재를 특징으로 하는 것인 도펀트 기체 조성물.
- 아크 챔버 벽에 의해 부분적으로 한정되며, 여기서 챔버는 챔버 벽 내에 적어도 부분적으로 배치된 붕소 이온 공급원을 포함하는 것인, 이온 공급원 장치,
상기 이온 공급원 장치와 유체 연통되며, 붕소-함유 도펀트 기체 조성물을 보관하는 하나 이상의 공급 용기, 및
하나 이상의 공급 용기로부터 벽을 통해 챔버 내로 연장되는, 하나 이상의 공급 용기에 상응하는 하나 이상의 공급 라인
을 포함하며,
상기 조성물은 B2H6을 0.1% 내지 10% 범위의 수준으로, H2를 5% 내지 15%의 범위로 포함하고 그 나머지는 BF3이고, 여기서 상기 B2H6은 활성 붕소 이온의 생성 및 주입 동안에 이용되는 이온 공급원의 동작 아크 전압에서 상기 BF3의 이온화 단면적보다 큰 이온화 단면적을 갖는 것으로 선택된 것이고,
상기 하나 이상의 용기는 상기 붕소-함유 도펀트 기체 조성물을 상기 공급 라인을 통해 상기 이온 공급원 장치 내로 분배하여 붕소-함유 조성물이 이온화되게 함으로써 활성 붕소 이온을 생성하도록 구성되고,
여기서 활성 붕소 이온은 단독의 BF3으로부터 발생된 빔 전류와 비교하여 증가된 빔 전류를 발생시키는 것인,
붕소 이온 주입 동안에 개선된 빔 전류를 제공하기 위한 시스템. - 제6항에 있어서, 상기 B2H6이 2 내지 5%이고, 상기 H2가 5 내지 10% 범위의 수준이고, 그 나머지가 BF3인 시스템.
- 제6항에 있어서, 제1 공급 용기 및 제2 공급 용기가 기체 키트의 일부로서 제공되고, 상기 제1 공급 용기는 B2H6을 H2와 조합으로 포함하고, 상기 제2 공급 용기는 BF3을 포함하고, 상기 제1 및 제2 공급 용기 각각은 B2H6, H2 및 BF3을 각각 제어된 유량으로 이온 공급원 챔버에 분배하여 챔버 내에서 붕소-함유 도펀트 기체 조성물을 생성하고, 여기서 상기 B2H6은 2 내지 5%이고, 상기 H2는 5 내지 10% 범위의 수준이고, 그 나머지는 BF3인 시스템.
- 제8항에 있어서, 상기 기체 키트가, 상기 제1 공급 용기로부터의 상기 B2H6 및 상기 H2의 유동을 제1 유량으로 조절하기 위한 제1 유량 제어기를 포함하고, 상기 키트가 상기 제2 공급 용기로부터의 상기 BF3의 유동을 제2 유량으로 조절하기 위한 제2 유량 제어기를 추가로 포함하는 것인 시스템.
- 제6항에 있어서, 단일 공급 용기가 붕소-함유 도펀트 기체 조성물을 예비-혼합하고, 또한 상기 공급 용기가 아대기압 보관 및 전달 용기인 시스템.
- B2H6을 0.1% 내지 10% 범위의 수준으로, H2를 5% 내지 15%의 범위로 포함하고, 그 나머지는 BF3인 붕소-함유 도펀트 조성물을 제공하고,
붕소-함유 도펀트 조성물을 이온 공급원 챔버 내로 도입하고,
상기 B2H6이 상기 BF3의 이온화 단면적보다 큰 이온화 단면적을 갖게 되는 미리 결정된 동작 아크 전압에서 상기 B2H6 및 상기 BF3을 이온화시키고,
활성 붕소 이온을 생성시키고,
단독의 BF3으로부터 발생된 빔 전류와 비교하여 연장된 공급원 수명을 갖는 증가된 빔 전류를 발생시키는 것
을 포함하는, 붕소 이온 주입 동안의 이온 빔 전류의 품질을 증가시키는 방법. - 제11항에 있어서, 상기 붕소-함유 도펀트 조성물이 불활성 기체의 부재를 특징으로 하는 것인 방법.
- 제11항에 있어서, 제1 공급 용기 및 제2 공급 용기가 기체 키트의 일부로서 제공되고, 상기 제1 공급 용기는 B2H6을 H2와 조합으로 포함하고, 상기 제2 공급 용기는 BF3을 포함하고, 상기 제1 공급 용기는 B2H6 및 H2를, 그리고 상기 제2 공급 용기는 상기 BF3을 제어된 유량으로 병류 유동 또는 순차 유동 방식으로 이온 공급원 챔버에 분배하여 챔버 내에서 붕소-함유 도펀트 조성물을 생성하는 것인 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 미리 결정된 동작 아크 전압이 80 V 내지 120 V의 범위인 방법.
- 제11항에 있어서, 단일 공급 용기가 상기 붕소-함유 도펀트 조성물을 상기 챔버 내로 분배하는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 B2H6 및 상기 BF3 중 적어도 하나가 동위원소 농후화된 것인 도펀트 기체 조성물.
- 제6항에 있어서, 상기 B2H6 및 상기 BF3 중 적어도 하나가 동위원소 농후화된 것인 시스템.
- 제11항에 있어서, 상기 B2H6 및 상기 BF3 중 적어도 하나가 동위원소 농후화된 것인 방법.
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