KR102642616B1 - 불소 이온 주입 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

불소 이온 주입을 위한 방법 및 시스템이 기술되며, 다수의 불소 이온 종을 형성할 수 있는 불소 화합물이 미리 결정된 유속으로 이온 주입기 내로 도입된다. 불소 이온 종은 미리 결정된 아크 전력 및 공급원 자기장에서 생성되어 소망하는 불소 이온 종에 최적화된 빔 전류를 제공한다. 다수의 불소 원자를 갖는 것과 같은 소망하는 불소 이온 종은 선택된 작동 조건 하에서 기판 내로 주입된다.

Description

불소 이온 주입 방법 및 시스템
본 개시는 불소 이온 주입 방법 및 시스템에 관한 것이다.
불소 주입은 결함 엔지니어링, 얕은 접합 형성 및 재료 개질을 위하여 고급 반도체 장치 제조에 사용된다. 불소 주입을 위한 일반적인 설정은 해리 부산물 중 하나로 불소(F)를 제공하기 위해 불소 도펀트 공급원 가스를 이온 공급원에 공급하는 것을 포함한다.
그러나, 종래의 불소 주입 공정은 주입되는 불소 이온의 유형과 불소 이온 주입 깊이와 같은 불소 이온 주입의 특이성과 관련하여 일반적으로 제한적이다. 또한, 불소 함유 화합물의 분해시 생성된 이온 종은 바람직하지 않게 불소와 함께 주입될 수 있다.
또한 불소 함유 공급 가스의 사용은 이온 공급원 성능, 공급원 수명, 주입 도구 생산성 및 도구 소유 비용에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 할로겐 사이클을 생성한다. 기술 분야에서 다양한 과제가 그것의 광범위한 잠재적 응용을 고려할 때 불소 이온 빔 성능을 개선하기 위하여 남아 있다.
본 발명은 이온 주입 공정에서 하나 이상의 소망하는 불소 이온 종을 기판 내로 주입하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 방법 및 시스템은 불소 함유 화합물로부터 다수의 불소 이온 종이 생성되도록 한다. 미리 결정된 유속, 아크 전력 및 공급원 자기장 조건을 사용하여 소망하는 불소 이온 종에 대해 최적화된 빔 전류를 생성할 수 있으며, 이는 이후 기판 내로의 주입을 위하여 타켓팅될 수 있다. 따라서, 본 방법은 주입된 불소 종 및 이들이 어떻게 기판 내로 주입되는지에 대한 더 큰 제어를 가능하게 하여, 개선된 전자 특성을 갖는 마이크로 전자 장치와 같은 더 높은 수준의 화학적 개질을 기판에 제공한다.
일 실시양태에 따르면, 불소 이온 주입 방법은 비 불소 원자 및 하나 이상의 불소 원자(들)을 포함하는 불소 화합물을 포함하는 조성물을 미리 결정된 유속으로 이온 주입기에 유동시키는 단계를 포함하며, 주입된 이온은 기판 내로의 불소 이온 주입을 위해 구성된다. 방법은 또한 미리 결정된 아크 전력 및 공급원 자기장에서 불소 화합물로부터 불소 이온 종을 생성하기 위해 이온 주입기를 작동시키는 것을 포함하며, 불소 이온 종은 기판 주입을 위한 소망하는 불소 이온 종을 포함한다. 소망하는 불소 이온 종에 최적화된 빔 전류를 제공하기 위해 유속, 아크 전력 및 공급원 자기장이 작동 중에 선택된다. 따라서, 소망하는 불소 이온 종은 선택된 작동 조건 하에 기판 내로 주입된다.
일부 실시양태에서, 방법은 F+ 이온 종을 주입하는데 유리할 수 있다. 이온 주입 시스템은 불소 이온 종 F+의 최적화된 빔 전류를 제공하기 위해 미리 결정된 유속, 아크 전력 및 공급원 자기장에서 작동된다. 불소 이온 종 F+는 선택된 작동 조건 하에서 기판 내로 주입된다. 일부 실시예에서, 불소 이온 종 F+는 SiF4, BF3, GeF4 및 CF4와 같은 불소 함유 화합물을 사용하여 달성될 수 있지만 이에 한정되지는 않는다. 일부 경우에, 특정 조건 하에서 불소 이온 종 F+가 CF4로부터 생성될 때, 동일 또는 유사한 조건 하에서 불소 이온 종 F+가 SiF4, BF3, 또는 GeF4로부터 생성될 때와 비교하여 더 높은 빔 전류가 관찰된다. 더 높은 빔 전류는 더 낮은 가스 유속에서 얻을 수 있는 것으로 보인다. 또한 CF4 가스 흐름에 수소(H2) 공동 가스(co-gas)의 추가는 최대 33%의 수소 가스를 포함하는 혼합물 또는 공류(co-flow) 가스 흐름에 대하여 빔 전류에 중대한 영향을 미치지 않는 것으로 보인다.
다른 실시양태는 이러한 이온 종에 대한 최적의 빔 전류를 획득함으로써 달성되는, 본원에서 "분자 주입" 또는 "클러스터 주입"으로 지칭되는 다중 불소 원자를 갖는 이온 종을 주입하는 방법에 관한 것이다. 클러스터 주입은 붕소, 실리콘, 게르마늄, 안티몬, 비소, 크세논, 몰리브덴, 탄소, 셀레늄, 황 및 질소와 같은 원자를 포함하는 불소화 화합물로부터 얻을 수 있다. 예시적인 불소 화합물은 F+, SiF+, SiF2 +, SiF3 + 및 SiF4 +를 포함한 불소 이온 종을 생성하는 SiF4이다. 다른 예시적인 불소 화합물은 F+, BF+, BF2 + 및 BF3 +를 포함한 불소 이온 종을 생성하는 BF3이다. 예시적인 불소 화합물은 F+, GeF+, GeF2 +, GeF3 + 및 GeF4 +를 포함한 불소 이온 종을 생성하는 GeF4이다. 또 다른 예시적인 불소 함유 화합물은 F+, F2 +, CF+, CF2 +, CF3 + 및 CF4 +를 포함하는 불소 이온 종을 생성하는 CF4이다.
클러스터 주입을 위해 더 높은 빔 전류가 본 방법을 사용하여 달성될 수 있다. 또한 F+ 이온과는 상이한 불소 이온 종(분자 또는 클러스터 이온)은 더 쉽게 이온화될 수 있으므로 아크 전력과 이온 공급원 및 주입 도구에 대한 스트레스를 줄일 수 있다. 또한 소망하는 주입 깊이가 더 높은 에너지에서 달성될 수 있으며, 이는 쉽게 달성될 수 있고 주입 도구에 더 작은 스트레스를 준다. 본 방법을 사용하여 더 낮은 빔 전류에서 수행될 수 있는 분자 또는 클러스터 주입은 또한 공급원 수명을 연장시킬 수 있다. 또한, 본 방법은 불소와는 상이한 원자 또는 화학물을 주입하는데 선택적으로 사용될 수 있으며, 이에 의해 주입 단계의 수를 전반적으로 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시양태는 또한 불소 화합물과는 상이한 수소 함유 가스를 이온 주입기로 유동시키는 것을 포함한다. 본 발명의 실시양태는 또한 불소 화합물과는 상이한 산소 함유 가스를 이온 주입기로 유동시키는 것을 포함한다. 더욱이, 본 발명의 실시양태는 또한 불활성 가스를 이온 주입기로 유동시키는 것을 포함할 수 있다. 본 방법은 불소 화합물과 함께 독립적으로 또는 서로 혼합시켜 이들 가스 중 하나 이상을 유동시키는 것을 포함한다. 일부 실시양태에서, 수소 가스(H2)는 불소 함유 가스와 함께 독립적으로(공류) 또는 혼합되어 흐를 수 있다. 불소 화합물과는 상이한 하나 이상의 이러한 가스를 사용하면 주입 빔 전류, 공급원 수명 성능 또는 둘 다를 개선시킬 수 있다.
도 1은 챔버에서 이온화를 위해 도펀트 공급원 가스를 아크 챔버로 공급하기위한 가스 공급 라인을 갖는 아크 챔버를 포함하는 이온 주입 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1의 이온 주입 시스템의 단면도로서 이러한 시스템의 아크 챔버 내의 플라즈마의 생성을 개략적으로 나타낸다.
도 3은 이온 공급원 장치 및 이온 공급원 장치의 열 관리를 위한 히트 싱크 장치를 포함하는 이온 공급원 어셈블리의 단면 사시도이다.
도 4는 도시된 이온 주입 챔버 내의 기판의 이온 주입 도핑을 위해 공급되는 가스를 포함하는 저장 및 분배 용기를 포함하는 이온 주입 공정 시스템의 개략도이다.
도 5는 텅스텐 라이너를 갖는 텅스텐 아크 챔버의 존재하에 상이한 유속에서 SiF4를 사용하는 빔 스펙트럼 데이터를 도시한다.
도 6은 텅스텐 라이너 대 흑연 라이너의 존재하에 GeF4 가스를 사용한 실험으로부터의 F+ 빔 전류 데이터를 나타낸다.
도 7은 흑연 라이너가 사용되었을 때 GeF4 가스와 낮은 W+ 및 WFx+ 빔을 사용한 실험에서 이온화된 종을 나타낸다.
도 8은 BF3 및 H2 가스의 혼합물을 사용한 실험의 F+ 빔 전류 데이터를 나타낸다.
도 9는 H2가 BF3 가스와 혼합되었을 때 BF3/H2 혼합물을 사용하고 W+ 및 WFx+ 빔을 낮추는 실험에서 이온화된 종을 나타낸다.
도 10은 서로 다른 불소 함유 가스에 대해 상이한 유속에서 생성된 F+ 빔 전류를 비교한다.
도 11은 텅스텐 라이너를 갖는 텅스텐 아크 챔버의 존재하에 상이한 유속에서 CF4 가스에 대한 빔 스펙트럼 데이터를 도시한다.
도 12는 CF4 및 H2를 함유한 가스 혼합물에서 수소의 백분율에 대하여 플롯된 F+ 빔 전류 데이터를 나타낸다.
도 13은 CF4 및 H2를 함유한 가스 혼합물에서 수소의 백분율에 대하여 플롯된 HF+ 및 W+ 빔 전류 데이터를 나타낸다.
도 14는 CF4 가스가 텅스텐 라이너를 갖는 텅스텐 아크 챔버를 포함하는 이온 주입 시스템에서 이온화를 겪을 때 CF4 가스에 대한 시간에 따른 F+ 빔 전류 변화의 플롯을 나타낸다.
도 15는 텅스텐 라이너를 갖는 텅스텐 아크 챔버의 존재하에 CF4 가스로부터 생성된 F+, W+, C+ 및 CF+ 빔 전류에 대한 시간 함수로서 빔 전류 경향을 도시한다.
본 개시는 불소 이온 주입에 관한 것이고, 다양한 양태에서 복수의 불소 이온 종을 생성하는 불소 화합물이 사용되는 방법 및 시스템에 관한 것이고, 시스템은 불소 화합물의 미리 결정된 유속, 미리 결정된 아크 전력 및 미리 결정된 공급원 자기장에서 작동된다. 작동 조건은 소망하는 불소 이온 종에 대해 최적화된 빔 전류를 제공하며, 이는 이후 기판 내로의 주입을 위해 타케팅될 수 있다. 일부 경우에, 소망하는 불소 이온 종은 단원자 F+일 수 있다. 다른 경우에, 소망하는 불소 종은 예를 들어 "클러스터 주입"을 위한 F2 + 또는 SiF3 +와 같은 다원자 또는 분자 또는 클러스터 불소 이온 종을 함유할 수 있다.
본 방법에서 불소 함유 이온 종으로 이온화될 수 있는 하나 이상의 불소 화합물(들)이 사용된다.
일 유형의 불소 화합물은 화학식 QxFy를 갖는 화합물로 표현된다. QxFy에서, Q는 불소(F)와 결합을 형성할 수 있는 원소이고, x와 y는 모두 1 이상의 정수이다. 일 실시양태에서, x는 1 내지 3 범위의 정수이고, y는 1 내지 8 범위의 정수이고, 일 실시양태에서, x는 1 또는 2이고, y는 1 내지 6 범위의 정수이다. 화학식 QxFy 일부 화합물에 대해, y는 x와 동일하고, 예를 들어 y와 x는 모두 1이다. 일부 화학식 QxFy의 화합물의 경우, y는 x보다 크다. 예를 들어, y는 x의 2배, y는 x의 3배, y는 x의 4배, y는 x의 5배, y는 x의 6배이다. 화학식 QxFy의 일부 화합물의 경우, y는 1 + x, y는 2 + x, y는 3 + x, y는 4 + x, 또는 y는 5 + x이다.
본원에 기술된 조건을 사용하는 것과 같은 이온화시, 화학식 QxFy를 갖는 화합물은 화학식 F+, QuFv+ 및 F2 +의 화합물을 포함하는 불소 이온 종을 생성할 수 있다. 다수의 불소 원자를 갖는 종을 분자 또는 클러스터 종이라고 지칭한다. u와 v는 모두 정수이고, 화학식 QxFy의 x 및 v와 관련하여 기술될 수 있고, 여기서 x는 u보다 크거나 같은 정수이고, u는 1 이상의 정수이고, y는 v보다 크거나 같은 정수이고, v는 1 이상의 정수이다. 따라서, 화학식 QuFv+의 이온 종에 대해, u와 v는 모두 1 이상의 정수이다. 일 실시양태에서, u는 1 내지 3 범위의 정수이고, v는 1 내지 8 범위의 정수이고, 일 실시양태에서, u는 1 또는 2이고, v는 1 내지 6 범위의 정수이다. 화학식 QuFv+의 일부 이온 종에 대해, u는 v와 동일하며, 예를 들어 u 및 v는 모두 1이다. 화학식 QuFv+의 일부 이온 종에 대해, v는 u보다 크다. 예를 들어, v는 u의 2배, v는 u의 3배, v는 u의 4배, v는 u의 5배, v는 u의 6배이다. 화학식 QuFv+의 일부 이온 종에 대해, v는 1 + u, v는 2 + u, v는 3 + u, v는 4 + u 또는 v는 5 + u이다.
규소 및 불소 함유 화합물의 예로는 화학식 SiF4 및 Si2F6을 갖는 화합물을 포함하며, 이는 F+, F2 +, SiF+, SiF2 +, SiF3 +, SiF4 +, Si2F+, Si2F2 +, Si2F3 +, Si2F4 +, Si2F5 + 및 Si2F6 +로 구성된 그룹에서 선택된 이온 종을 포함한 불소 이온 종을 생성하도록 이온화될 수 있다. 바람직한 양태에서 SiF4는 이온화되어 F+, SiF+, SiF2 +, SiF3 + 및 SiF4 +로 구성된 그룹에서 선택된 둘 이상의 종을 생성한다.
붕소 및 불소 함유 화합물의 예는 화학식 BF3 및 B2F4의 화합물을 포함하며, 이는 F+, F2 +, BF+, BF2 +, BF3 +, B2F+, B2F2 +, B2F3 + 및 B2F4 +로 구성된 그룹에서 선택된 이온 종을 포함한 불소 이온 종을 생성하기 위해 이온화될 수 있다. 바람직한 양태에서 BF3는 이온화되어 F+, BF+, BF2 +, 및 BF3 +로 구성된 그룹에서 선택된 둘 이상의 종을 생성한다.
게르마늄 및 불소 함유 화합물의 예로는 화학식 GeF4 및 Ge2F6의 화합물을 포함하며, 이는 F+, F2 +, GeF+, GeF2 +, GeF3 +, GeF4 +, Ge2F+, Ge2F2 +, Ge2F3 +, Ge2F4 +, Ge2F5 + 및 Ge2F6 +로 구성된 그룹에서 선택된 이온 종을 포함한 불소 이온 종을 생성하기 위해 이온화될 수 있다. 바람직한 양태에서 GeF4는 이온화되어 F+, GeF+, GeF2 +, GeF3 + 및 GeF4 +로 구성된 그룹에서 선택되는 둘 이상의 종을 생성한다.
인 및 불소 함유 화합물의 예로는 화학식 PF3 및 PF5의 화합물이 포함되며, 이는 F+, F2 + 및 PF+, PF2 +, PF3 +, PF4 + 및 PF5 +로 구성된 그룹에서 선택된 이온 종을 포함한 불소 이온 종을 생성하기 위해 이온화될 수 있다.
비소 및 불소 함유 화합물의 예로는 화학식 AsF3 및 AsF5의 화합물을 포함하며, 이는 F+, F2 + 및 AsF+, AsF2 +, AsF3 +, AsF4 + 및 AsF5 +로 구성된 그룹에서 선택된 이온 종을 포함한 불소 이온 종을 생성하기 위해 이온화될 수 있다.
안티몬 및 불소 함유 화합물의 예로는 화학식 SbF5의 화합물을 포함하며, 이는 F+, F2 + 및 SbF+, SbF2 +, SbF3 +, SbF4 + 및 SbF5 +로 구성된 그룹에서 선택된 이온 종을 포함한 불소 이온 종을 생성하기 위해 이온화될 수 있다.
텅스텐 및 불소 함유 화합물의 예로는 화학식 WF6의 화합물을 포함하며, 이는 F+, F2 + 및 WF+, WF2 +, WF3 +, WF3 +, WF4 +, WF5 + 및 WF6 +로 구성된 그룹에서 선택된 이온 종을 포함한 불소 이온 종을 생성하기 위해 이온화될 수 있다.
질소 및 불소 함유 화합물의 예로는 화학식 NF3 및 N2F4의 화합물을 포함하며, 불소 이온 종은 F+, F2 +, NF+, NF2 +, NF3 +, N2F+, N2F2 +, N2F3 +, N2F4 +, N2F5 + 및 N2F6 + 로 구성된 그룹에서 선택된 둘 이상의 종을 포함한다.
탄소 및 불소 함유 화합물의 예는 화학식 CF4 및 C2F6의 화합물을 포함하며, 불소 이온 종은 F+, F2 +, CF+, CF2 +, CF3 +, CF4 +, C2F+, C2F2 +, C2F3 +, C2F4 +, C2F5 + 및 C2F6 +로 구성된 그룹에서 선택된 둘 이상의 종을 포함한다.
불소 이온 종을 생성할 수 있는 다른 유형의 불소 함유 화합물에는 화학식 QxRzFy의 화합물이 포함되며, 여기서 Q 및 R은 불소(F)와 결합을 형성할 수 있는 원소이고 x, z 및 y는 1 이상의 정수이다. 일 실시양태에서 Q는 B, Si, Ge, P, As, C 및 N으로 구성된 그룹으로부터 선택되고, R은 H 및 O로부터 선택된다. 일 실시양태에서, x는 1 내지 3 범위의 정수이고, 바람직하게는 1 또는 2이고, z는 1 내지 4 범위의 정수이고, 바람직하게는 1, 2 또는 3이고, y는 1 내지 8 범위의 정수이고, 바람직하게는 1 내지 6이다.
본원에 기술된 조건을 사용하는 것과 같은 이온화시, 화학식 QxRzFy를 갖는 화합물은 화학식 QuRwFv+, F+ 및 F2 +를 포함하는 불소 이온 종을 생성할 수 있다. u, w 및 v는 모두 정수이며 화학식 QxRzFy의 x, z 및 y와 관련하여 기술될 수 있고, 여기서 x는 u보다 크거나 같은 정수이고 u는 1 이상의 정수이고, y는 v보다 크거나 같은 정수이고, v는 1 이상의 정수이고, z는 w보다 크거나 같은 정수이고, w는 1 이상의 정수이다. 따라서, 화학식 QuRwFv+의 이온 종에 대해, u, w 및 v는 모두 1 이상의 정수이다. 바람직하게는 u는 1 내지 3 범위의 정수이고, 바람직하게는 1 또는 2이고, w는 1 내지 4 범위의 정수이고, 바람직하게는 1, 2 또는 3이고, v는 1 내지 8, 바람직하게는 1 내지 6 범위의 정수이다.
화학식 QxRzFy를 갖는 화합물의 예는 BHF, BHF2, SiHF3, SiH2F2, SiH3F, Si2H3F3, Si2H5F, Si2HF5, GeHF3, GeH2F2, GeH3F, PHF2, PH2F, PH3F2, P2HF, AsHF2, AsH2F, AsH3F2, CnHxF2n+2-x, CnHxF2n-x, CnHxF2n-2-x, COF2, NHF2, NH2F, NHF 및 N2H3F을 포함하나, 이에 한정되지 않으며, 여기서 n은 1 내지 3 범위의 정수, x는 0, 1 또는 2이다.
불소 이온 종을 생성할 수 있는 다른 유형의 불소 함유 화합물은 화학식 Fy를 포함하고, 불소 이온 종은 화학식 Fv+의 화합물을 포함하며, 여기서 y는 v보다 크거나 같은 정수이고, v는 1 이상의 정수이다.
본 방법은 또한 화학식 QxFy, QxRzFy 및 Fy 중 둘 이상의 불소 화합물의 혼합물의 사용을 포함할 수 있다. 둘 이상의 상이한 불소 함유 화합물이 사용되는 경우, 이들은 독립적으로 주입 챔버 내로 유입될 수 있거나, 혼합물로서 챔버 내로 유입될 수 있다.
본 방법에서, 하나 이상의 불소 함유 화합물은 불소 이온 종을 생성하기 위해 주입 챔버 내로 유동된다. 불소 이온 종은 가장 많은 수의 불소 원자를 갖는 종을 포함할 수 있다. 본 방법에서 가장 많은 수의 불소 원자를 갖는 종이 최대 빔 전류를 위해 최적화되도록 유속, 아크 전력 및 공급원 자기장이 선택된다. 본원의 다른 방법에서, 불소 이온 종 F+가 최대 빔 전류를 위해 최적화되도록 유속, 아크 전력 및 공급원 자기장이 선택된다.
불소 이온 주입을 위한 시스템의 작동은 아크 전력 및 아크 전압으로 기술될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 시스템은 약 5W 내지 약 2500W 범위의 아크 전력을 제공하도록 작동되고, 또는 일부 실시 형태에서 아크 전력은 약 90W 내지 약 1500W 범위에 있다. 이러한 범위 중 하나의 아크 전력을 달성하기 위해, 아크 전력이 약 30V 내지 약 150V 범위의 아크 전압에서 생성되거나, 보다 구체적으로 약 60V 내지 약 125V 범위에서 생성되도록 시스템이 작동될 수 있다.
불소 이온 주입을 위한 시스템의 작동은 이온 주입 챔버 내로의 불소 함유 화합물의 유속으로 기술될 수도 있다. 일부 실시양태에서, 불소 함유 화합물은 10sccm 이하의 속도로 챔버 내로 유입되고, 일 실시양태에서 불소 함유 화합물은 0.1sccm 내지 6sccm 범위의 속도로 유입된다. 또 다른 실시양태에서, 불소 함유 화합물은 0.2sccm 내지 4sccm의 범위, 더욱 특히 0.2sccm 내지 2sccm의 범위에서 시스템으로 흐른다.
일부 특정 실시 형태에서 불소 화합물은 BF3이고, 불소 이온 종은 F+, F2 +, BF+, BF2 + 및 BF3+로 구성된 그룹으로부터 선택된 둘 이상의 종을 포함하고, 아크 전력은 30V 내지 150V 범위의 아크 전압에서 생성되는 50W 내지 2500W 범위에 있으며, 유속은 1.25sccm 내지 1.75sccm 범위에 있다.
일부 특정 실시 형태에서 불소 화합물은 SiF4이고, 불소 이온 종은 F+, F2 +, SiF+, SiF2 +, SiF3 + 및 SiF4 +로 구성된 그룹으로부터 선택된 둘 이상의 종을 포함하고, 아크 전력은 75V 내지 125V 범위의 아크 전압에서 생성되는 50W 내지 2500W 범위에 있고, 유속은 1.0sccm 내지 1.5sccm 범위에 있다.
일부 특정 실시 형태에서 불소 화합물은 GeF4이고, 불소 이온 종은 F+, F2 +, GeF+, GeF2 +, GeF3 + 및 GeF4 +로 구성된 그룹으로부터 선택된 둘 이상의 종을 포함하고, 아크 전력은 30V 내지 150V 범위의 아크 전압에서 생성되는 50W 내지 2500W 범위에 있고, 유속은 0.2sccm 내지 0.8sccm 범위에 있다.
일부 특정 실시 형태에서 불소 화합물은 CF4이고, 불소 이온 종은 F+, F2 +, CF+, CF2 +, 및 CF3 + 중 적어도 하나를 포함하고, 아크 전력은 30V 내지 150V 범위의 아크 전압에서 생성되는 50W 내지 2500W 범위에 있고, 유속은 0.2sccm 내지 1.5sccm 범위에, 더욱 특히 0.3sccm 내지 1.0sccm 범위에 있다.
선택적으로, 본 방법은 불소 화합물과는 상이한 (불소화되지 않은) 수소 또는 수소화물 함유 화합물을 이온 주입기로 유동시키는 것을 포함할 수 있다. 이러한 화합물의 예는 H2, B2H6, SiH4, Si2H6, GeH4, Ge2H6, PH3, AsH3, CH4, C2H6, CxHy(여기서 x 및 y는 1 이상임), NH3 및 N2H4와 같은 화합물을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다. 예시적인 실시 형태에서, 수소 또는 수소화물 함유 화합물은 0.05sccm 내지 10sccm의 속도로 아크 챔버 내로 유입된다.
선택적으로, 본 방법은 불소 화합물과는 상이한 (불소화되지 않은) 산소 함유 화합물을 이온 주입기로 유동시키는 것을 포함할 수 있다. 이러한 화합물의 예는 O2, O3, H2O, H2O2, CO, CO2, NO, NO2, N20, N4O, N2O3, N2O4, N2O5 및 N2O6과 같은 화합물을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.
선택적으로, 본 방법은 불활성 가스를 이온 주입기로 유동시키는 것을 포함할 수 있다. 불활성 가스의 예로는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤 및 크세논을 포함한다.
실시 형태에서 수소 또는 수소화물 함유 가스, 산소 함유 가스 또는 불활성 가스 중 하나가 불소 함유 화합물과 함께 주입기로 유입된다. 다른 실시 형태에서, 이들 가스 중 두 가지가 유입된다. 또 다른 실시 형태에서, 세 가지 가스 모두 불소 함유 화합물과 함께 주입기로 유입된다.
둘 이상의 가스가 챔버로 흐르면 가스가 개별적으로 흐를 수 있다. 대안적으로, 가스가 혼합되어 흐를 수 있다. 예를 들어, 불소 함유, 수소 함유, 산소 함유 및/또는 불활성 가스 중 어느 둘 이상은 가스 실린더 패키지에서 사전 혼합물일 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 둘 이상의 가스가 혼합된 후 다른 가스가 개별적으로 챔버로 유입된다. 일 실시양태에서, 수소 가스는 불소 함유 가스와 함께 흐르거나 사전 혼합된다.
본 방법은 이온 주입을 위한 이온 공급원 장치를 사용하여 수행될 수 있다. 임의의 유형의 이온 주입 시스템이 본원에 기재된 바와 같은 불소 주입 방법을 위해 사용될 수 있다. 시스템은 하나 이상의 텅스텐 또는 비 텅스텐 함유 재료로 형성된 아크 챔버를 포함한다. 일부 실시양태에서, 불소 이온 주입을 위하여 예를 들어 CF4 또는 C2F6과 같은 탄소 및 불소 함유 화합물 및/또는 텅스텐 함유 라이너를 이용하는 조합은 빔 전류 및 공급원 수명을 포함한 F+ 주입 성능을 개선시킬 수 있으며, 주입 과정에서 형성되는 텅스텐 플루오라이드의 양을 줄일 수 있다.
예시적인 비 텅스텐 함유 재료는 흑연 함유 재료, 탄화물 함유 재료, 불화물 함유 재료, 질화물 함유 재료, 산화물 함유 재료, 또는 세라믹을 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다. 비 텅스텐 함유 재료를 사용하는 예시적인 시스템은 미국 가출원 번호 62/780,222에 기술되어 있으며, 이는 모든 목적을 위해 그 전체가 본원에 참조로 포함된다. 챔버 내 이러한 비 텅스텐 재료의 존재는 텅스텐을 대체 할 수 있으며, 이는 일부 실시양태에서 빔 전류 및 공급원 수명을 포함하는 F+ 주입 성능을 개선할 수 있다. 특히, 이러한 재료는 주입 과정에서 형성되는 텅스텐 플루오라이드의 양을 줄일 수 있다.
이온 공급원 장치는 라이너 또는 이온 공급원 챔버의 다른 구조적 구성요소와 같이, 이온 공급원 챔버 내에 배치된 구조적 부재를 포함할 수 있다. 라이너는 예를 들어 두 개의 대향하는 주표면과 그 사이의 두께를 갖는 평면 구조 조각인 평면일 수 있다. 라이너는 직사각형, 구부러진 (예를 들어, 둥근), 각진 또는 다른 모양일 수 있다. 라이너는 제거가능할 수 있으며, 이는 라이너를 이온 공급원 챔버의 내부 공간에 삽입하거나 그로부터 제거할 수 있음을 의미한다. 다른 경우에 라이너는 영구적이고 챔버로부터 제거할 수 없을 수 있다.
이제 도면을 참조하면, 도 1은 챔버 내에서 불소 함유 가스의 이온화를 위해 불소 함유 가스를 아크 챔버로 공급하기 위한 가스 공급 라인(14)을 갖는 아크 챔버(12)를 포함하는 이온 주입 시스템(10)의 개략도이다. 아크 챔버(12)는 따라서 이온 공급원 챔버를 제공한다. 일부 실시양태에서, 아크 챔버는 텅스텐 아크 챔버 및 텅스텐 라이너를 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서, 아크 챔버는 텅스텐 아크 챔버 및 라이너를 보유하는 비 텅스텐 재료를 포함할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 아크 챔버 및 라이너는 모두 비 텅스텐 함유 재료를 포함할 수 있다. 적합한 비 텅스텐 함유 재료는 흑연 함유 재료, 탄화물 함유 재료, 불화물 함유 재료, 질화물 함유 재료, 산화물 함유 재료, 또는 세라믹을 포함할 수 있지만 이에 한정되지는 않는다.
도 2는 도 1의 이온 주입 시스템(10)의 단면도이며 이러한 시스템의 아크 챔버(12) 내의 플라즈마(16)의 생성을 개략적으로 도시한다. 불소 함유 가스는, 이온 주입 시스템을 위한 열 관리 시스템의 사용과 관련하여 바람직할 수 있는, 공급 라인 및 아크 챔버 내로 진입하는 가스의 열 상태의 품질을 결정하기 위해 모니터링 관계로 그것에 고정된 모니터링 열전대(TCI, TC2)를 갖는 불소 함유 가스 공급 라인(14) 내로 화살표 A로 표시된 방향으로 유동된다.
도 3은 이온 공급원 장치(70) 및 시스템의 열 관리를 위한 선택적인 히트 싱크 장치(50)를 포함하는 이온 공급원 어셈블리의 단면 사시도이다. 이 단면도는 가스 공급 플러그 내의 가스 유동 통로(84)에, 그리고 이온 공급원과 연계된 가스 부싱 내의 가스 유동 통로(86)에 연결되는 불소 함유 가스 공급 라인(72)을 도시한다.
도 3에 개시된 이온 공급원 장치는 베이스(80)를 포함한다. 베이스(80)는 텅스텐 함유 재료로 코팅 또는 개질될 수 있거나 흑연 함유 재료, 카바이드 함유 재료, 불화물 함유 재료, 질화물 함유 재료, 산화물 함유 재료 또는 세라믹으로 코팅 또는 개질될 수 있다. 베이스(80)는 내부에 개구(82)를 포함할 수 있다.
도 4는 도시된 이온 주입 챔버(301) 내의 기판(328)의 이온 주입을 위한 불소 이온 종을 생성하기 위하여 이온 공급원 챔버 내의 불소 함유 가스와 인시튜(in situ) 반응하기 위해 공급되는 반응물 가스를 보유하는 저장 및 분배 용기(302)를 포함하는 이온 주입 공정 시스템(300)의 개략도이다.
저장 및 분배 용기(302)는 불소 가스를 보유하는 내부 용적을 둘러싸는 용기 벽(306)을 포함한다.
용기는 가스만 보유할 수 있도록 배치된 내부 용적을 구비한 종래 유형의 가스 실린더일 수 있으며, 대안적으로 용기는 반응물 가스에 대한 흡착 친화성(sorptive affinity)을 갖는 흡착제 재료를 포함하고, 분배 조건 하에서 용기로부터 배출되기 위하여 공반응물(co-reactant) 공급원 가스는 흡착되지 않는다.
저장 및 분배 용기(302)는 배출 라인(312)과 가스 흐름 연통으로 연결된 밸브 헤드(308)를 포함한다. 압력 센서(310)는 질량 흐름 제어기(314)와 함께 라인 (312) 내에 배치된다. 다른 모니터링 및 감지 구성요소는 라인과 함께 연결되고, 액추에이터, 피드백 및 컴퓨터 제어 시스템, 사이클 타이머 등과 같은 제어 수단과 접속된다.
이온 주입 챔버(301)는 이온화 챔버 내의 이온화 조건하에서 이온 빔(305)을 생성하는 불소 이온 종을 생성하기 위하여 이온화 챔버 내에 제공되거나 연계되는 도펀트 공급원 반응물과 반응하는 라인(312)으로부터의 분배된 불소 함유 가스를 수용하는 이온화기(316)를 포함한다. 이온 빔(305)은 필요한 이온을 선택하고 선택되지 않은 이온을 거부하는 질량 분석기 유닛(322)을 통과한다.
선택된 이온은 가속 전극 어레이(324)를 통과한 다음 편향 전극(326)을 통과한다. 그 다음 결과적으로 집속된 이온 빔은 스핀들(332) 상에 장착된 회전가능한 홀더(330)에 배치된 기판 요소(328)에 충돌하여 이온 주입 제품으로서 도핑된(불소 도핑된) 기판을 형성한다.
이온 주입 챔버(301)의 각 섹션은 각각 펌프(320, 342, 346)에 의해 라인 (318, 340, 344)을 통해 배출된다.
[실시예 1]
본 발명에 따르면, 불소 함유 가스인 SiF4는 미리 결정된 아크 전력 및 자기장에서 다양한 유속(0.5, 1.5, 2.5sccm)으로 이온화 챔버 내로 유입되었다. 빔 전류는 다양한 유속에서 이온 종에 대해 측정되었다. 도 5에 도시된 바와 같이 높은 SiF3 + 빔 전류가 조건의 최적화 및 SiF3 + 종에 맞춘 빔을 통해 달성되었다 .
[실시예 2]
불소 함유 가스인 GeF4가 텅스텐 라이너를 갖는 이온화 챔버와 흑연 라이너를 갖는 이온화 챔버 내로 유입되었다. 시스템은 110V의 아크 전압과 20mA의 공급원 빔에서 작동되었다. F+ 이온 빔 전류는 다양한 가스 GeF4 유속에서 측정되었다. 시험된 각 유속에서 흑연 라이너를 구비한 시스템은 텅스텐 라이너를 구비한 시스템에 비해 더 높은 F+ 빔 전류를 제공했다. 결과는 도 6에 나타나있다.
[실시예 3]
실시예 2에 기술된 공정으로부터 생성된 다양한 이온화된 종의 빔 스펙트럼을 측정하였다. 결과는 흑연 라이너를 구비한 경우 GeF4 빔 스펙트럼으로부터의 현저히 낮은 W+ 및 WFx+ 빔을 나타낸다. 도 7 참조.
[실시예 4]
불소 함유 가스인 BF3는 단독으로, 그리고 수소 가스(H2)가 존재하는 상태에서 이온화 챔버 내로 유입되었다. BF3의 유속은 1.5sccm이었고 시스템은 110V의 아크 전압과 20mA의 공급원 빔에서 작동되었다. 도 8은 증가하는 H2 농도에서의 F+ 빔 전류를 나타내며, H2가 50%까지 증가될 때 전류가 약간의 영향만 받는 것을 나타낸다. 그러나, 이온화된 종의 BF3 빔 스펙트럼을 분석했을 때, H2가 BF3와 혼합된 경우 W+ 및 WFx + 빔의 현저한 감소가 나타났다. 도 9 참조.
[실시예 5]
동일한 작동 조건에서 상이한 불소 가스(BF3, SiF4, GeF4, CF4)로부터 생성된 F+ 빔 전류를 평가했다. 가스는 텅스텐 라이너를 갖는 텅스텐 챔버를 갖는 이온화 챔버 내로 독립적으로 유입되었다. 시스템은 110V의 아크 전압과 90V의 아크 전압 및 20mA의 공급원 빔에서 작동되었다. F+ 이온 빔 전류는 각 가스에 대해 다양한 유속에서 측정되었다. 낮은 유속에서 CF4는 BF3, SiF4 및 GeF4보다 현저히 높은 F+ 빔 전류를 생성하였다. 결과는 도 10에 나타나있다.
[실시예 6]
도 11은 상이한 가스 유속에서 실시예 5에 기술된 조건하에서 CF4로부터 생성된 F+ 빔 스펙트럼을 나타낸다. 이와 같이, 더 높은 F+ 빔 전류가 더 낮은 가스 유속에서 생성되었다. 가스 유속이 0.42sccm에서 1sccm로 증가하면 F+ 및 W+ 빔 전류가 감소하고, W+, C+ 및 CF+ 빔 전류가 증가했다.
[실시예 7]
CF4 및 H2를 포함하는 가스 혼합물이 0.5sccm의 고정 유속, 아크 전압 110V 및 공급원 빔 20mA에서 텅스텐 라이너를 갖는 텅스텐 아크 챔버를 포함하는 이온 주입 시스템으로 유입되었다. 도 12는 혼합물 내에서 수소 가스의 백분율 함수로서 F+ 빔 전류를 나타낸다. 최대 33%의 수소를 함유하는 혼합물의 경우 F+ 빔 전류에 대한 현저한 영향이 관찰되지 않았다. 도 13은 가스 혼합물 내에서 수소의 양의 함수로 플롯된 HF+ 및 W+ 빔 전류를 나타낸다. 예상한 바와 같이 W+ 빔 전류가 현저히 감소하고 HF+ 빔 전류가 증가했다.
[실시예 8]
0.5sccm의 고정 유속, 110V의 아크 전압 및 20mA의 공급원 빔에서 텅스텐 라이너를 갖는 텅스텐 아크 챔버 내에서 CF4의 이온화로부터 생성된 F+ 빔 전류의 안정성을 연구했다. 도 14는 F+ 빔 전류가 시간이 지남에 따라 증가하고, 2 내지 3 시간 후에 안정되는 것을 나타낸다. 도 15는 도 14에 도시된 평가 기간 동안 생성된 F+, C+, CF+, W+에 대한 빔 전류를 비교한다. C+ 빔 전류는 전반기 동안 감소하고 후반기에 증가하기 시작했다. C+의 초기 감소는 이전 CO 빔으로부터 탄소 잔류물을 제거했기 때문일 수 있다. C+ 빔 전류의 이후 증가 추세는 CF4 자체의 탄소 증착과 관련이 있을 수 있다. CF+ 빔 전류는 F+ 빔 전류와 연관되는 접촉 증가 추세를 가졌다.

Claims (15)

  1. 불소 이온 주입 방법으로서,
    하나 이상의 불소 원자 및 임의적으로 하나 이상의 비 불소 원자를 포함하는 불소 화합물을 포함하는 조성물을 미리 결정된 유속으로 이온 주입기에 유동시키는 단계로서, 주입된 이온은 기판 내로의 불소 이온 주입을 위해 구성되는, 단계,
    미리 결정된 아크 전력 및 자기장에서 상기 불소 화합물로부터 불소 이온 종을 생성하도록 상기 이온 주입기를 작동시키는 단계로서, 상기 불소 이온 종은 기판 주입을 위한 소망하는 불소 이온 종을 포함하는, 단계, 및
    상기 소망하는 불소 이온 종을 상기 기판 내로 주입하는 단계
    를 포함하고,
    상기 소망하는 불소 이온 종에 대한 최적화된 빔 전류를 제공하기 위하여 유속, 아크 전력 및 자기장이 선택되고,
    상기 이온 주입기는 흑연 라이너를 갖는 이온화 챔버를 포함하고,
    상기 유동시키는 단계는 상기 불소 화합물과는 상이한 산소 함유 화합물을 상기 이온 주입기 내로 유동시키는 것을 더 포함하고, 상기 산소 함유 화합물은 02, 03, H20, H202, CO, C02, NO, N02, N20, N40, N203, N204, N2O5, N2O6 및 COF2로 이루어진 군으로부터 선택되는, 불소 이온 주입 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 불소 이온 종은 다수의 불소 이온 종을 포함하고, 이중 불소 원자 수가 가장 많은 종이 더 적은 수의 불소 원자를 갖는 종(들)의 빔 전류(들)보다 더 큰 빔 전류를 갖도록 유속, 아크 전력 및 공급원 자기장이 선택되는, 불소 이온 주입 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 소망하는 불소 이온 종은 선택된 에너지에 의해 그리고 선택된 유속, 아크 전력 및 공급원 자기장을 사용하여 소망하는 깊이로 상기 기판 내로 주입되는, 불소 이온 주입 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 아크 전력이 5W 내지 2500W 범위 내인, 불소 이온 주입 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유속이 10sccm 이하인, 불소 이온 주입 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 유속이 0.2sccm 내지 6sccm 범위 내인, 불소 이온 주입 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    (a) 상기 불소 화합물은 화학식 QxFy를 가지며, Q는 불소(F)와 결합을 형성할 수 있는 원소이고, 상기 불소 이온 종은 화학식 QuFv+, F+ 및 F2 +의 화합물을 포함하고, x는 u보다 크거나 같은 정수이고, u는 1 이상의 정수이고, y는 v보다 크거나 같은 정수이고, v는 1 이상의 정수이거나,
    (b) 상기 불소 화합물은 화학식 QxRzFy를 가지며, Q 및 R은 불소(F)와 결합을 형성할 수 있는 원소이고, 상기 불소 이온 종은 화학식 QuRwFv+, F+ 및 F2 +의 화합물을 포함하고, 여기서 x는 u보다 크거나 같은 정수이고, u는 1 이상의 정수이고, y는 v보다 크거나 같은 정수이고, v는 1 이상의 정수이고, z는 w보다 크거나 같은 정수이고, w는 1 이상의 정수이거나,
    (c) 상기 불소 화합물은 화학식 Fy를 가지며, 상기 불소 이온 종은 화학식 Fv+의 화합물을 포함하며, y는 v보다 큰 정수이고, v는 1 이상의 정수이거나, 또는
    (d) 화학식 QxFy, QxRzFy 및 Fy의 둘 이상의 불소 화합물의 혼합물이 사용되는,
    불소 이온 주입 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 불소 화합물은 F2, BF3, BHF, BHF2, B2F4, SiF4, Si2F6, SiHF3, SiH2F2, SiH3F, Si2H3F3, Si2H5F, Si2HF5, GeF4, Ge2F4, Ge2F6, GeHF3, GeH2F2, GeH3F, PF3, PF5, PHF2, PH2F, PH3F2, P2HF, AsF3, AsF5, AsHF2, AsH2F, AsH3F2, SbF3, SbF5, XeF2, XeF4, XeF6, WF6, MoF6, CnF2n+2, CnF2n, CnF2n-2, CnHxF2n+2-x, CnHxF2n-x, CnHxF2n-2-x, COF2, SF6, SF4, SeF6, NF3, N2F4, NHF2, NH2F, NHF, N2H3F 및 HF로 구성된 그룹으로부터 선택되고, n은 1 내지 3 범위의 정수이고, x는 0, 1 또는 2인, 불소 이온 주입 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    유동시키는 단계는 상기 불소 화합물과는 상이한 수소 함유 화합물을 상기 이온 주입기 내로 유동시키는 것을 더 포함하고, 상기 수소 함유 화합물은 H2, B2H6, SiH4, Si2H6, GeH4, Ge2H6, PH3, AsH3, CH4, C2H6, CxHy, CxHyFz(x, y, z는 1 이상임), NH3 및 N2H4로 이루어진 군으로부터 선택되는, 불소 이온 주입 방법.
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