KR20000023162A - 열음극 방전 이온 소스의 수명 연장 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적어도 열음극 방전 이온 소스(ion source) 및 GeF4와 같은 이온 주입 가스를 포함하는 이온 주입 장치에 질소 포함 동시 유출(co-bleed) 가스를 유입시킴으로써 열음극 방전 이온 소스의 동작 수명을 연장, 즉 늘이는 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 이온 주입에 관한 것으로, 상세하게는 이온 주입 장치에 사용되어 소스 이온(source ion)을 생성시키는 열음극(hot cathode) 방전 이온 소스의 수명을 연장시키는 방법에 관한 것이다.
채널 효과(channel effect)를 방지하기 위해 실리콘 웨이퍼를 사전비정질화(pre-amorphize) 시키는 Ge+이온 주입은 반도체 업계에서 널리 사용되어 왔다. 반도체 디바이스(device) 제조에 있어서 이들 사전비정질화 주입에 대한 요구는 상당히 증가할 것으로 추측된다. 안정적인 화학적 특성과 가격 저렴성 때문에 GeF4가 Ge+빔(beam)에 대한 가장 보편적인 이온 공급 가스로 사용된다. 그러나, 열음극 방전 이온 소스가 GeF4가스와 함께 동작할 때 12 시간 이하 정도의 매우 짧은 수명을 갖는다는 것이 관찰되었다.
일반적인 소스 고장 형태는 이온 주입 장치를 장시간 사용하는 동안에 소정의 물질이 열음극 방전 이온 소스의 음극 표면에 증착되는 것이다. 이러한 증착이 열음극 표면으로부터 소스 이온의 열이온 방출율을 감소시킨다. 따라서, 원하는 아크 전류(arc current)를 얻을 수 없으므로 정상 소스 동작을 유지하기 위해서는 열음극 방전 소스를 교체해야만 한다. 짧은 소스 수명이 이온 주입기의 생산성을 상당히 감소시킨다.
GeF4이온 주입에서 짧은 소스 수명의 원인은 GeF4분자의 화학적 해리로 인한 이온 소스 내의 과다한 자유 불소 원자 때문이라고 생각된다. 아크 챔버(chamber) 재료가 불소 원자와 이 아크 챔버 재료의 화학 반응에 의해 에칭(etching)된다. 소정의 아크 챔버 재료는 궁극적으로 열음극 상에 증착되어 열음극 방전 소스로부터의 전자 방출을 저하시킬 수 있다.
GeF4외에 다른 주입 가스가 이온 주입에 채용되며, 이들 다른 가스는 열전극 방전 이온 소스의 수명 단축을 동일하게 초래할 수 있다. 본 명세서에서 열전자 방출 이온 소스라는 용어는 적어도 1200℃의 온도로 가열되는 경우에 소망한 전자를 방출하는 모든 열이온 방출 소자를 나타내는 데 사용된다. 이러한 소자로부터 전자가 방출되는 정확한 온도는 소자의 재료에 의존한다는 것을 주지해야 한다.
도 1은 전형적인 종래 기술의 이온 주입 장치, 즉 장비를 도시하고 있다. 구체적으로, 종래 기술의 이온 주입 장치는 소망한 기판으로 주입될 이온이 생성되는 이온 소스 챔버(10)를 포함한다. 생성된 이온은 인입 전극(drawing electrode)(12)에 의해 인입되며 이들의 질량은 분리 전자석(separating electormagnet)(14)에 의해 분석된다. 질량 분석 후, 이 이온은 슬릿(slit)(16)에 의해 완전히 분리되어 적절한 이온이 가속기(18)에 의해 최대 에너지까지 가속된다. 이온 빔이 사중극 렌즈(quadrupole lens)(21)에 의해 샘플(sample) 또는 기판(20)의 면 상에 수렴되며 주사(scanning) 전극(22a, 22b)에 의해 주사된다. 편향 전극(24, 26, 28)은 잔류 가스와의 충돌로 발생된 비하전 입자(uncharged particle)를 제거하기 위해 이온 빔을 편향시키도록 설계된다.
이온 소스 챔버(10)는 이온 주입 장비의 핵심부이다. 현재는 열전극을 사용하는 프리만(Freeman) 유형의 이온 소스 챔버, 버나스(Bernas) 유형의 이온 소스 챔버, 간접 가열 음극 유형의 이온 소스, 마그네트론(magnetron)을 사용하는 마이크로웨이브(microwave) 유형의 이온 소스 챔버, RF 소스와 같은 상이한 5 종류의 이온 소스 챔버가 알려져 있다. 본 명세서에서는 이온 소스 및 열음극 방전 이온 소스라는 용어가 상호 교환되어 사용된다는 것을 이해하여야 한다.
본 발명의 보다 충분한 이해를 위해, 프리만 유형의 이온 소스, 버나스 유형의 이온 소스, 마이크로웨이브 유형의 이온 소스에 대한 간단한 설명을 본 명세서에 개시한다. 본 명세서에는 전술한 다른 유형의 이온 소스, 즉 간접 가열 음극 및 RF 이온 소스가 설명되지 않지만 당업자에게는 널리 알려져 있다.
도 2는 프리만 유형 이온 소스 챔버(10)의 단면도이다. 구체적으로, 이 이온 소스에서 막대형상 필라멘트(bar-shaped filament)(30)로부터 열전자가 방출되어 플라즈마(plasma)가 발생되고, 전자석(32)에 의해 필라멘트(30)와 평행하게 전계가 발생되며, 필라멘트 전류에 의해 회전자기장(rotating field)이 생성되고, 반사판(34)에 의해 챔버 안으로 전자가 이동됨으로써 이온화 효율이 개선된다. 챔버 내에서 생성된 이온은 슬릿(36)을 통과하여 필라멘트와 수직한 방향으로 인도된다.
도 3은 주성분으로서 몰리브덴(molybdenum : Mo)을 포함하는 버나스 유형의 이온 소스 챔버(10)의 단면도이다. 이온 소스 챔버(10)는 텅스텐(W) 필라멘트(40)와 이의 반대전극(44)을 포함한다. 이온 소스 챔버는 가스관(46)으로부터 소망한 가스가 공급되고 필라멘트(40)로부터 열전자를 방출한다.
도 4는 전형적인 마이크로웨이브 이온 소스를 도시하고 있다. 구체적으로, 이 챔버(10)에서는 마그네트론(magnetron)(52)에 의해 생성된 마이크로웨이브를 이용하여 방전 박스(box)(50) 내에서 플라즈마가 생성된다. 이 챔버는 필라멘트를 구비하고 있지 않기 때문에, 이의 수명은 반응성 가스를 사용하더라도 단축되지 않는다. 그러나, 이온뿐만 아니라 금속이 챔버로부터 추출되어 인입 전극(54)의 표면으로 이끌리므로, 소망한 전압이 인가될 수 없거나 금속 또는 이온이 샘플에 도달하여 이를 오염시킬 수 있다.
전술한 각각의 이온 소스는 지금까지 언급한 문제점을 나타내고 있다. 이들 열음극 방전 이온 소스에 의해 표출된 수명 단축 문제점에 대한 종래 기술의 해결 방안으로는 열음극 방전 이온 소스 자체를 변경시키거나 이온 주입 장치의 안쪽벽을 내화학 침식 재료로 코딩(coating)하는 것이 있다. 예를 들어, 후자의 해결 방안은 무라코시(Murakoshi) 등에게 허여된 미국 특허 제 5,656,820 호에 개시되어 있다.
이러한 종래 기술의 공정이 성공적임에도 불구하고, 열음극 방전 이온 소스의 수명을 연장시키는 신규하며 개선된 방법을 개발하여야 하는 필요성이 제기된다. 이러한 개선된 방법이 필요한 이유는 종래 기술의 해결 방안이 너무 많은 시간을 소비하거나 전체적인 공정에 부가적인 운용 비용을 부가하기 때문이다. 종래 기술의 해결 방안은 또한 BF2종을 주입하는 경우 기판에 원하지 않는 오염 물질(Nb)을 발생한다.
본 발명의 하나의 목적은 이온을 기판에 주입하기 위해 종래 기술에 전형적으로 채용되는 열음극 방전 이온 소스의 수명을 간단하면서도 저비용으로 연장시키는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 방전 소스를 교체하거나 이온 주입 장치의 안쪽벽을 코딩하기 위해 이온 주입 장치를 운전 정지시키는 데 필요한 시간을 상당히 단축시킴으로써 이온 주입기 조작자에게 개선된 생산성을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 GeF4와 같은 불소 포함 가스가 주입 가스, 즉 이온 소스 가스로 채용되는 경우에 열음극 방전 이온 소스의 수명을 늘이는 것이다.
본 발명의 이들 목적 및 이점뿐만 아니라 다른 목적 및 이점은 적어도 주입 가스 및 열음극 방전 이온 소스를 포함하는 이온 소스 챔버에 동시 유출 가스(co-bleed gas)로 질소 포함 가스를 유입시킴으로써 달성될 수 있다. 본 발명의 방법은 특히 GeF4와 같은 고불화 가스가 주입 가스로서 채용되는 이온 주입 장치에서 사용하기에 적합하다. 본 명세서에서 고불화라는 용어는 두 개 이상의 불소 분자를 포함하는 가스 화합물을 나타내는 데 사용된다. 질소 포함 가스가 GeF4소스 가스와 함께 사용되는 경우에 열음극 이온 소스의 수명이 50 내지 120 시간 개선될 수 있음이 관찰되었다. 다른 주입 가스와 함께 사용되는 경우에도 마찬가지의 개선이 관찰될 것으로 추측된다.
도 1은 본 발명에 채용될 수 있는 전형적인 종래 기술 이온 주입 장치의 단면도,
도 2는 종래 기술의 프리만(Freeman) 유형 이온 소스의 다양한 구성 요소를 나타내는 단면도.
도 3은 종래 기술의 버나스(Bernas) 유형 이온 소스의 다양한 구성 요소를 나타내는 단면도,
도 4는 종래 기술의 마이크로웨이브 이온 소스의 다양한 구성 요소를 나타내는 단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 이온 소스 챔버 12 : 인입 전극
14 : 분리 전자석 16 : 슬릿
18 : 가속기 21 : 사중극 렌즈
22a, 22b : 주사 전극 24, 26, 28 : 편향 전극
지금부터, 첨부한 도면을 참조하여 이온 주입에 사용된 열음극 방전 이온 소스의 수명을 연장, 즉 늘이는 방법을 제공하는 본 발명을 매우 상세히 설명할 것인데, 이 첨부한 도면에서 동일한 참조 번호는 동일하며 대응하는 소자 및/또는 구성 요소를 설명하는 데 사용된다. 본 발명은 어떤 한 유형의 이온 주입 장치 또는 열음극 방전 이온 소스의 사용에 한정되지 않는다는 것을 주지해야 한다. 대신에, 본 발명의 방법은 도 1에 도시한 이온 주입 장치뿐만 아니라 당업자에게 현재 알려져 있거나 장래에 개발될 다른 모든 유형의 이온 주입 장치와 함께 사용하기에 적합하다.
또한, 본 발명의 방법은 이에 한정되지는 않지만 도 2에 도시하고 이전에 설명한 프리만 유형의 이온 소스와, 도 3에 도시하고 이전에 설명한 버나스 유형의 이온 소스와, 도 4에 도시하고 이전에 설명한 마이크로웨이브 이온 소스와, 간접 가열 음극 유형의 이온 소스와, RF 이온 소스를 포함하는 모든 유형의 열음극 방전 이온 소스와 함께 사용될 수 있다.
본 발명의 방법에 따르면, 열음극 방전 이온 소스의 수명 연장은 적어도 열음극 방전 이온 소스 및 주입 가스를 포함하는 이온 소스 챔버에 동시 유출 가스로서 질소 포함 가스를 유입시킴으로써 얻어질 수 있다.
본 명세서에서 동시 유출이라는 용어는 질소 포함 가스 및 주입 가스가 이온 주입 장치의 이온 소스 챔버에 거의 동시에 유입된다는 것을 나타내는 데 사용된다. 전술한 가스 동시 유출은 전체 이온 주입 공정 내내 유지되며 주입 공정은 당업자에게 널리 알려진 통상적인 이온 주입 조건을 사용하여 수행된다.
본 발명에 채용될 수 있는 적합한 질소 포함 가스로는 질소, 공기(건식 혹은 습식), NF3, NO, N2O, NO3, N2O3, NO3F, NOBr, NOF, NO2F 및 이들의 혼합물이 있지만 이에 한정되지는 않는다. 이들 질소 포함 가스 중 질소 가스가 본 발명에서 매우 효과적이다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 공동 방출 가스의 농도는 약 20부 내지 80부의 이온 주입 가스 대 약 80부 내지 20부의 질소 포함 가스까지이다. 보다 바람직하게, 공동 방출 가스의 농도는 약 30부 내지 50부의 이온 주입 가스 대 약 70부 내지 50부의 질소 포함 가스까지이다. 동시 유출 가스의 유량(flow rate)은 통상적인 가스 유량계(flow meter) 또는 당업자에게 널리 알려진 다른 수단으로 제어될 수 있다.
본 발명에 채용된 질소 포함 가스는 고순도 또는 저순도 가스일 수 있다. 고순도 질소 포함 가스가 채용되는 경우, 질소 포함 가스의 순도는 약 50% 이상이다. 보다 바람직하게, 본 발명에 채용된 질소 포함 가스는 약 90% 내지 100%의 순도를 갖는다. 질소 포함 가스는 소망한 순도를 가지고 있을 수 있거나 당업자에게 널리 알려진 스크러버(scrubber)를 포함하는 가스 정화 기술을 사용하여 사전설정된 수준까지 정화될 수 있다.
질소 포함 동시 유출 가스와 함께 채용될 수 있는 적합한 이온 주입 가스, 즉 소스 가스로는 GeF4, SiF4, Si2F6, SF6, S2F6, SF4같은 불화 가스뿐만 아니라 AsH4, PH3와 같은 다른 가스가 있지만 이에 한정되지는 않는다. 질소 포함 가스와 함께 사용될 수 있는 매우 바람직한 이온 주입 가스로는 GeF4가 있다.
본 발명, 즉 동시 유출 가스를 사용하면 현재 사용되는 열음극 방전 이온 소스의 수명이 지금까지 종래 기술에서 얻을 수 없었던 수준까지 연장, 즉 늘어난다는 것을 다시 한번 강조한다. 예를 들어, 본 발명의 방법을 채용하지 않는 현재의 이온 주입 기술에서는 GeF4와 함께 동작하는 경우 몰리브덴 열음극 방전 이온 소스의 수명은 약 12 시간 내지 30 시간이다. 본 발명의 방법을 사용하면, Mo 열음극 방전 이온 소스의 수명이 약 80 시간 내지 150 시간까지 개선된다. 400% 내지 750% 정도의 이러한 개선은 장비를 보수하는 데 필요한 운전 정지 시간을 단축시키기 때문에 이온 주입 업계에서는 상당한 진보를 뜻하는 것이다. 더욱이, 본 발명의 방법을 채용하면, 동시 유출 가스로 처리되지 않는 이온 소스와 비교할 때 이온 소스가 매우 안정된 수명 성능을 보인다.
본 발명의 방법은 이온 주입이 필요한 광범위한 응용에 사용되기 적합하다. 그러나, 본 발명의 방법은 반도체 웨이퍼, 칩, 혹은 기판에 소스/드레인 영역을 제공하거나 반도체 웨이퍼의 기판을 사전비정질화 시키는 반도체 업계에서 사용되기 매우 적합하다.
본 발명의 범주를 예시하기 위하여 다음의 예를 개시한다. 이 예는 예시의 목적으로만 개시한 것이기 때문에, 본 명세서에서 구현된 본 발명은 이에 한정되지 않아야 한다.
예
이 예에서는 소스 가스로서 GeF4를 사용하여 동시 유출 가스로서 질소의 사용 효과를 조사하였으며 질소 동시 유출이 채용되지 않은 시스템과 비교하였다. 이 조사에는 버나스 유형의 이온 소스 및 간접 가열 음극(ELS) 이온 소스가 사용되었다. 이들 실험에 사용된 동시 유출 가스의 비율은 3부 N2대 2부 Ge이었다. 각 유형의 이온 소스에 대해 널리 알려진 통상적인 조건을 사용하여 열음극 이온 소스를 동작시켰다.
표 1은 이들 실험의 결과를 나타내고 있다. 구체적으로, 질소 및 GeF4의 동시 유출을 사용한 실험이 GeF4만을 사용하여 수행된 실험과 비교할 때 열음극 이온 소스의 수명이 상당히 연장된다는 것을 데이터가 명확히 나타내고 있다. 모든 경우에 있어서, 질소가 GeF4와 함께 사용될 때 열음극 이온 소스의 수명이 상당히 개선된다는 것이 관찰되었다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대해서만 구체적으로 도시하고 설명하였으나, 당업자라면 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 전술한 변경 및 다른 변경이 이루어질 수 있음을 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 적어도 열음극 방전 이온 소스(ion source) 및 GeF4와 같은 이온 주입 가스를 포함하는 이온 주입 장치에 질소 포함 동시 유출(co-bleed) 가스를 유입시킴으로써 열음극 방전 이온 소스의 동작 수명을 연장, 즉 늘이는 방법이 제공된다.
Claims (25)
- 이온 주입 장치에 사용되는 열음극 방전 이온 소스(hot cathode discharge ion source)의 수명을 연장시키는 방법에 있어서,적어도 열음극 방전 이온 소스 및 주입 가스를 구비하는 이온 소스 챔버(chamber)에 질소 포함 동시 유출 가스를 유입시키는 단계를 포함하는열음극 방전 이온 소스 수명 연장 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 열음극 방전 이온 소스가 1200℃ 이상의 온도로 가열되는 경우 전자를 방출하는 모든 열이온 방출 소자인열음극 방전 이온 소스 수명 연장 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 열음극 방전 이온 소스가 프리만 유형의 이온 소스, 버나스 유형의 이온 소스, 간접 가열 음극 소스, 마이크로웨이브 이온 소스, RF 소스로 구성되는 그룹(group)으로부터 선택되는열음극 방전 이온 소스 수명 연장 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 이온 주입 가스가 GeF4, SiF4, Si2F6, SF6, S2F6, SF4로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 불화 가스인열음극 방전 이온 소스 수명 연장 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 이온 주입 가스가 GeF4인열음극 방전 이온 소스 수명 연장 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 이온 주입 가스가 AsH4또는 PH3인열음극 방전 이온 소스 수명 연장 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 질소 포함 가스가 질소, 공기(건식 혹은 습식), NF3, NO, N2O, NO3, N2O3, NO3F, NOBr, NOF, NO2F 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로터 선택되는열음극 방전 이온 소스 수명 연장 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 질소 포함 가스가 질소인열음극 방전 이온 소스 수명 연장 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 동시 유출 가스가 약 20부 내지 80부의 상기 이온 주입 가스 대 약 80부 내지 20부의 상기 질소 포함 가스까지의 농도로 유입되는열음극 방전 이온 소스 수명 확장 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 농도가 약 30부 내지 50부의 상기 이온 주입 가스 대 약 70부 내지 50부의 상기 질소 포함 가스까지인열음극 방전 이온 소스 수명 연장 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 질소 포함 가스가 50% 이상의 순도를 갖는열음극 방전 이온 소스 수명 연장 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 질소 포함 가스가 약 90% 내지 100%의 순도를 갖는열음극 방전 이온 소스 수명 연장 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 동시 유출이 전체 이온 주입 동작 내내 유지되는열음극 방전 이온 소스 수명 연장 방법.
- 이온 주입 장치에 사용된 열음극 방전 이온 소스의 수명을 연장시키는 방법에 있어서,적어도 열음극 방전 이온 소스 및 불화 가스를 구비하는 이온 소스 챔버에 질소 포함 동시 유출 가스를 유입시키는 단계를 포함하는열음극 방전 이온 소스 수명 연장 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 열음극 방전 이온 소스가 1200℃ 이상의 온도로 가열되는 경우 전자를 방출하는 모든 열이온 방출 소자인열음극 방전 이온 소스 수명 연장 방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 열음극 방전 이온 소스가 프리만 유형의 이온 소스, 버나스 유형의 이온 소스, 간접 가열 음극 소스, 마이크로웨이브 이온 소스, RF 소스로 구성되는 그룹으로부터 선택되는열음극 방전 이온 소스 수명 연장 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 불화 가스가 GeF4, SiF4, Si2F6, SF6, S2F6, SF4로 구성되는 그룹으로부터 선택되는열음극 방전 이온 소스 수명 연장 방법.
- 제 17 항에 있어서,상기 불화 가스가 GeF4인열음극 방전 이온 소스 수명 연장 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 질소 포함 가스가 질소, 공기(건식 혹은 습식), NF3, NO, N2O, NO3, N2O3, NO3F, NOBr, NOF, NO2F 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로터 선택되는열음극 방전 이온 소스 수명 연장 방법.
- 제 19 항에 있어서,상기 질소 포함 가스가 질소인열음극 방전 이온 소스 수명 연장 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 동시 유출 가스가 약 20부 내지 80부의 상기 이온 주입 가스 대 약 80부 내지 20부의 상기 질소 포함 가스까지의 농도로 유입되는열음극 방전 이온 소스 수명 연장 방법.
- 제 21 항에 있어서,상기 농도가 약 30부 내지 50부의 상기 이온 주입 가스 대 약 70부 내지 50부의 상기 질소 포함 가스까지인열음극 방전 이온 소스 수명 연장 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 질소 포함 가스가 50% 이상의 농도를 갖는열음극 방전 이온 소스 수명 연장 방법.
- 제 23 항에 있어서,상기 질소 포함 가스가 약 90% 내지 100%의 순도를 갖는열음극 방전 이온 소스 수명 연장 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 동시 유출이 전체 이온 주입 동작 내내 유지되는열음극 방전 이온 소스 수명 연장 방법.
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