KR20010022638A - 도펀트의 현장 생성 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속 및 이 금속과의 반응으로 도펀트 가스 종을 형성하는 가스와의 반응 생성물인 도펀트 가스 종(種)을 생성하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 금속 공급체(16)가 제공되고 반응성 가스와 접촉하여, 도펀트 가스 종을 생성한다. 상기 도펀트 가스 종은 화학 증착 반응기(320)를 통과하거나, 이온화 챔버(46) 쪽으로 유동하여, 이온 주입을 위한 이온 종을 생성한다.
Description
반도체 재료 및 반도체 장치의 제조시에, 각종 가스 화합물, 예컨대 아르신(arsine), 포스핀(phosphine), 셀렌화 수소(hydrogen selenide), 텔루르화 수소(hydrogen telluride), 테트라플루오로게르마늄(tetrafluorogermanium), 테트라프루오로안티몬(tetrafluoroantimony), 트리클로로인듐(trichloroindium), 그 밖의 불화물 종(種)(fluoride species) 등이 도펀트 공급 재료로서 사용된다.
이들 도펀트 공급 재료는 캐리어 가스 스트림에서, 질소, 헬륨, 아르곤 또는 그 밖의 적당한 가스와 같이 가스 성분으로 급송되고, 다음에 도펀트는, 예컨대 MOCVD 또는 이온 주입 기술에 의한 것과 같이, 도핑되는 상기 재료 쪽으로 도입될 수 있다. 이온 주입시, 도펀트 종을 함유하는 가스 스트림은 이온 주입 장치의 아크 챔버 내로 유동해 들어가서, 도펀트 주입을 위해 기판 쪽으로 향하게 되는 이온 도펀트 종(ionic dopant species)을 생성한다.
도펀트로서 사용되는 전술한 가스 화합물은 유독한 특성이 있기 때문에, 건강 및 안전 문제를 고려하여, 반도체 제조 설비에서 주의 깊게 다루어야 한다.
종래의 방식에서, 도펀트 종은 고압 가스 실린더로부터 분배되는 가스 화합물로서 반도체 제조 설비에 공급될 수 있다. 이러한 고압 가스 실린더를 사용하는 경우에, 이와 관련하여 실린더가 파열하여, 상기 유독한 가스가 제조 설비의 주변 환경으로 다량 배출될 위험이 있다. 실린더 헤드, 가스 유동 조정기 및 연관된 유동 회로의 결함 및 손상으로 인해 상기 고압 가스 실린더로부터 유출의 위험도 존재한다.
고압 가스 실린더를 사용함으로써 생기는 전술한 결점 중 하나를 예를 들면 약 20 ppm 내지 약 100 ppm 정도의 비교적 저농도로, 에피택시얼 반도체 막(epitaxial semiconductor film)에 비소 도핑(arsenic doping)을 위해, 도펀트 공급 재료로서 아르신이 실리콘을 기본으로 하는 반도체 장치의 제조에 사용된다. 이러한 적용례에 있어서, 아르신은 묽은 가스 혼합물로 사용될지라도, 통상 고압 가스 실린더에서 벌크 퓨어 형태(bulk pure form)로 제공되고, 이는 전술한 바와 같이 상기 실린더가 파열할 위험 및/또는 상기 실린더로부터의 유출 위험을 수반하여, 아르신이 제조 플랜트의 주변 환경으로 방출될 위험이 있게 된다.
반도체 제조 플랜트에서 아르신 또는 그 밖의 도펀트 공급 가스에 대해 종래와 같이 고압 가스 실린더를 요구하는 것의 대안으로서, 비소(arsenic), 셀레늄(selenium), 텔루륨(tellurium) 등과 같은 도펀트에 대해 액상 공급원 화합물을 제공하여 상기한 것과 같은 조건을 생략하는 것이 바람직할 수 있다.
그러나, 불행하게도, 상기 도펀트용으로서, 원하는 뛰어난 전기적 성질 및 구조적 성질이 있는 반도체 재료를 생성하는 적당한 액상 공급원 화합물은 전혀 생산되지 않고 있다.
종래 기술은 이러한 문제에 대한 여러 해결책을 강구하였다.
1996년 5월 21일에 등록 공고된 글렌 엠. 톰(Glenn M. Tom) 및 제임스 브이.맥메너스(James V. McManus)의 미국 특허 제5,518,528호에는 가스용 저장 및 급송 장치가 개시되어 있는데, 이 장치에서는 분배되는 가스가 물리적 흡착 매체(physical sorbent medium)에 흡착되고, 소르베이트 가스의 차압 탈착(pressure differential desorption)에 의해 상기 흡착제 물질로부터 선택적으로 분배된다.
1990년 6월 26일에 등록 공고된 스티븐 제이. 헐트퀴스트(Steven J. Hultquist) 및 글렌 엠. 톰의 미국 특허 제4,936,877호에는 반도체 제조용 도펀트 급송 장치가 개시되어 있는데, 이 장치에서는 투과성 막(permeable film)이 포함된 접촉 영역을 통해 캐리어 가스가 유동하여, 캐리어 가스 내에 증기상 도펀트 성분을 포함하는 가스 혼합물을 생성하는데, 상기 증기상 도펀트 성분은 상기 투과성 막을 통해 상기 접촉 영역 내로 투과한다.
종래 기술에 있어서, 도펀트 가스 종을 현장에서 생성하는 효율적인 장치를 제공하는 것은 진보된 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은 도펀트 가스 종을 현장에서 생성하는 수단 및 방법을 제공하는 것으로, 이는 간단하고 편리하며 효과적인 특징이 있다. 본 발명의 다른 목적은 이온 주입 공정을 위해 도펀트 가스 종을 현장에서 생성하는 것을 포함하는 이온 주입 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적 및 이점은 다음의 개시된 내용 및 첨부된 청구의 범위를 통해 보다 명확해질 것이다.
본 발명은 마이크로 일렉트로닉스 장치(microelectronic device)를 제조하는 데 이용되는 도펀트(dopant)를 현장(現場)에서 생성(in-situ generation)하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 증착 사이트(deposition site), 예컨대 화학 증착 챔버 또는 이온 이온 주입 장치 등에 도펀트를 간단하고도 쉽게 효율적으로 급송하는 것에 관한 것이다.
도 1은 도펀트 가스 종을 현장에서 생성하고, 이러한 가스 종을 이온 주입에 사용하는 본 발명의 일실시예에 따른 처리 장치의 개략도이다.
도 2는 반응성 가스가 일련의 금속 스크린을 통과하여 유동하는 가스/금속 접촉 챔버의 개략적인 입면도이다.
도 3은 도펀트 종을 생성하기 위하여, 하나 이상의 금속 공급체를 각종 반응성 가스와 접촉시키는 처리 장치의 개략도이다.
도 4는 금속 공급체가 내장되어 있는 복수 개의 가스/금속 접촉 챔버가 장착된 캐루셀 장치(carousel apparatus)의 개략도이다.
도 5는 도펀트 가스 종을 현장에서 생성하고, 이러한 가스 종을 화학 증착 챔버에서 사용하는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 처리 장치의 개략도이다.
본 발명은 도펀트 가스 종을 생성하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 이러한 도펀트 가스 종은 종래의 각종 방법, 예컨대 캐리어 가스 스트림 내의 도펀트 가스 종을 실리콘을 기본으로 하는 반도체의 제작시 사용되는 화학 증착 챔버 쪽으로 유동시키는 방법 등에서 사용될 수 있는데, 상기 도펀트 원소는 적당한 반응물 공급원과 함께 증착되어 반도체 기재 상에 에피택시얼 막을 형성한다. 별법으로서, 상기 도펀트 종 함유 가스 스트림은 이온 주입 장치의 이온화 챔버를 통과하여, 이온 도펀트 종을 생성하고, 다음에 이 이온 도펀트 종은 그 도펀트 종이 합체되는 기재를 향하게 된다.
구체적으로 설명하면, 본 발명의 한 양태는 도펀트 가스 종을 생성하는 장치에 관한 것으로서, 상기 도펀트 가스 종은 금속 및 이 금속과 반응하여 그러한 도펀트 가스 종을 형성하는 가스와의 반응 생성물이다.
상기 장치는 상기 금속의 공급체(source mass); (i) 상기 반응성 가스를 상기 금속 공급체와 접촉되게 유동시켜 반응을 야기하여 상기 도펀트 가스 종을 생성하고, (ii) 그 도펀트 가스 종을 회수하는 수단을 적절히 포함할 수 있다.
상기 수단에는 상기 금속 공급체를 유지하는 반응 챔버, 보조 배관(ancillary piping) 또는 그 밖의 유동 통로, 매니폴드 및 회수 용기가 포함될 수 있다. 상기 수단은 가스/금속 접촉을 일으키고 도펀트 가스 종을 생성하는 데 필요한 구조를 제공하도록 널리 변형될 수 있다. 상기 도펀트 가스 종을 회수하는 수단에는 냉각 트랩(cold trap) 또는 상기 생성된 도펀트 가스 종을, 예컨대 분리 및/또는 농축 그렇지 않으면 그 가스 종을 산출하는 수단이 포함될 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 도펀트 가스 종을 생성하는 방법에 관한 것으로서, 금속 공급체를 제공하는 단계와; 반응성 가스를 상기 금속 공급체와 접촉하게 유동시켜 그들 사이에 반응을 야기하여 도펀트 가스 종을 생성하는 단계와; 이 도펀트 가스 종을 회수하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에 있어서, 전술한 수단 및 방법에 의해 생성된 도펀트 가스 종은 화학 증착 챔버 쪽으로 유동되어, 에피택시얼 성장 막(epitaxially grown film)에 합체된다.
별법으로서, 상기 도펀트 가스 종은 이온 주입 장치의 이온화 챔버를 통과하여, 이온 도펀트 종을 생성하고, 이러한 이온 도펀트 종을 수납하게 위치된 기재 쪽으로 상기 도펀트 종을 지향시킨다.
전술한 장치 및 방법에서, 금속 공급체는 금속과 가스 사이에 반응이 쉽게 일어나도록 가열될 수 있다. 이러한 가열은 임의의 적당한 방식으로 실행될 수 있다. 예컨대 금속 공급체 자체를 가열하는 저항, 또는 복사 가열, 고주파 가열(radio frequency heating), 대류 가열 또는 다른 전도 가열에 의해 실행될 수 있다.
금속과 가스의 반응을 용이하게 하기 위한 다른 접근법으로서, 상기 금속 공급체는 와이어 메쉬체(wire mesh body), 스폰지 또는 거즈(gauze) 구조의 형태와 같이 표면적이 큰 형태로 제공될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 양태는, 예를 들면 NF3를 해리하여, 금속과 반응하는 불소 종을 생성하는 것과 같이, 공급 가스가 해리되어 반응성 가스를 생성하는 전술한 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 다른 양태는 도펀트 가스 종을 생성하는 전술한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 금속 공급체는 금속 봉(metal rod)으로서 제공되고, 그 표면 위로 상기 반응성 가스가 유동한다. 적어도 하나의 봉이 가스/금속 접촉 챔버 내에 제공될 수 있고, 본 발명의 범위 내에서 여러 장치가 안출될 수 있는데, 그러한 장치에 의해서 복수 개의 금속 공급체는 이하에서 보다 상세히 설명하는 엣칭 가스와 선택적으로 접촉될 수 있다.
본 발명은 반응성 가스를 이 가스와 반응하여 도펀트 가스 종을 생성하는 금속 공급체와 접촉시킴으로써, 도펀트 가스 종을 현장에서 간단하고도 쉽게 효율적으로 생성할 수 있다는 발견에 기초하고 있다. 금속 공급체와 접촉되는 반응성 가스를 설명하기 위하여, 본 명세서에서 사용되는 "가스"라는 용어는 본 발명의 넓은 실행에서 적당한 반응성 유체와 같이, (예컨대, 비등점이 낮은 액체에서 비롯되는) 증기 뿐만 아니라, 가스 그 자체도 널리 포괄하는 것으로 한다.
상기 금속 공급체는 가스/금속 반응의 반응 속도를 증대시키기 위해서, 높은 온도로 가열될 수 있으며, 바람직하게는 주변 조건에서의 반응 특성이 만족스럽다면, 상기 금속 공급체는 단순히 반응성 가스에 노출될 수 있다. 금속 공급체는 고체 재료이거나 용융된 액상체(molten liquid mass)일 수 있다.
본 발명은 가스/금속 반응에 의해 적절히 형성된 임의의 가스 도펀트 종, 또는 증착 사이트에서 분해 또는 추출될 수 있는 활동성 도펀트 종의 전구 화합물(precursor compound)에 널리 적용되어 특정의 도펀트 성분을 제공할 수 있다. 예를 들면, 가스/금속 반응은 금속 불화 화합물(metal fluoride compound)을 생성하는 불소 함유 가스와 금속과의 반응을 포함할 수 있는데, 상기 불화 화합물은 캐리어 가스 스트림에서 이온 주입 장치의 아크 챔버를 통과할 수 있고, 상기 챔버에서 도펀트 종 금속 양이온이 발생되며, 이 양이온은 기재에 이온 주입되도록 기재를 향하게 된다.
다른 예로서, 가스/금속 반응은, 예시적인 반응성 가스로서 NF3와, 일반적인 금속 종으로서 M을 사용하여 다음과 같이 실행될 수 있다.
NF3+ M --＞ MFx+ N2+ F2
금속은 주변 조건(예컨대, 실온)에서 상기한 바와 같이 반응되거나, 원하는 반응 생성물에 적절한 것과 같이, 주변 온도 이상으로 가열될 수 있다. NF3, ClF3, CF3I, CF3H, H2, NH3, HF, BF3, F2, Cl2, SiF4및 이들 중 두 종류 이상의 혼합물, 예컨대 불소, 염소 및 수소의 혼합물과 같은 반응물 가스로 유사한 반응을 실행할 수 있다.
상기 가스와 반응하는 금속은 임의의 적당한 형태의 금속일 수 있다. 예를 들면, 금속은 (프릿 또는 소결된 다공성 디스크와 같이) 분말, 불연속 형태일 수 있거나, (용융된 인듐 봉과 같이) 고체 또는 복합 질량체를 구성할 수 있다. 사용되는 곳에서 금속을 가열하는 것은, 임의의 유용한 열전달 양식(예를 들면, 전도 또는 저항, 복사, 대류 등)을 통해서 뿐만 아니라, 임의의 적당한 수단 및 방법을 이용하여 적당한 방식으로 실행될 수 있다. 금속 자체를 엣칭하는 반응성 가스 외에, 본 발명은 반응성 가스와 반응하여 비금속 도펀트 종을 형성하는 비금속 성분의 공급체와 반응성 가스를 접촉시킴으로써, 비금속 도펀트 종을 형성하는 데에 채택될 수도 있다.
NF3를 반응성 가스로 하는 전술한 반응 계획에 있어서, 온도는 예컨대 300℃ 이상 정도로 가열될 수 있다. 다른 경우에 있어서, 비교적 저온을 이용하는 것이 바람직할 수 있다(예컨대, 인듐의 융점은 비교적 낮다). 역으로, 몇몇 경우에 있어서는, 도가니 내의 용융체와 같이 멜트 형태의 금속을 이용하는 것이 바람직할 수 있는데, 반응성 가스는 상기 멜트 표면과 접촉하게 유동하여 가스/금속 반응을 일으킨다.
다른 실시예에 있어서, 금속은 엣칭 가스와 반응하도록 도가니 내에서 용융될 수 있다. 예를 들면, 인듐은 196℃에서 용융되지만, 약 1500℃까지는 현저하게 증발되지 않는다.
본 발명의 방법은 임의의 적당한 유량 및 유동 배치의 반응성 가스와, 임의의 적당한 형태 및 배치의 금속으로 실행할 수 있다. 반응 장치는, 예컨대 금속 공급 재료의 벌크 공급체, 예를 들면 금속 원석(boule) 또는 잉곳(ingot)을 포함할 수 있어, 상기 금속 벌크 질량체와 접촉된 반응성 가스는 그 금속 표면을 엣칭하여 원하는 도펀트 가스 종을 생성한다.
본 발명의 또 다른 실시예로서, 상기 반응성 금속은 고온에서 활동성이 있는 반응 촉매 종(reaction catalyst species)으로 예컨대 함침되는 것과 같이 화합 처리되어, 상기 고온에서 도펀트 종 반응 가스 생성물을 현장에서 생성하는 것을 용이하게 한다. 별법으로서, 도펀트 금속은 불활성 지지체에 증착되어, 금속의 표면적을 최대화함으로써, 표면에서의 반응 속도를 증대시킬 수 있다.
가스/금속 반응에 의해 생성된 금속 화합물은 이온화 챔버(아크 챔버)를 통과하여 양이온 금속 도펀트 종을 이온화하고 생성할 수 있다. 다음에, 상기 이온 종은 이온 주입시 사용될 수 있고, 그 이온 스트림을 수용하는 이온 주입 챔버에 배치된 기재를 향하게 된다.
별법으로서, 상기 도펀트 종은 가스의 이온화된 스트림 형태로 또는 발생된 것과 같이, 화학 증착 챔버 쪽으로 유동할 수 있다. 따라서, 화학 증착 챔버에서 도펀트 금속 이온 종을 이온화하고 사용하는 것은 본 발명의 넓은 실시 태양 범위 내인 것으로 고려된다.
본 발명은 테트라플루오로게르마늄, 트리플루오로안티몬, 펜타플루오로안티몬, 펜타플루오로아르세닉, 펜타플루오로포스포러스(pentafluorophosphorous), 트리플루오로인듐, 트리플루오로아르신, 트리플루오로포스핀, 트리플루오로보론 등을 비롯한 수 많은 특정의 도펀트 가스 종을 생성하는 데 적용할 수 있다. 다음에, 반응에 의해 생성된 반응 생성물 불소 화합물은 해리 또는 분해되어 활동성 도펀트 금속 성분을 산출할 수 있다.
본 발명은 도펀트 가스 저장부를 유지할 필요 없이, 도펀트 가스 종을 안전하게 생성할 수 있도록 해주는데, 이는 그렇지 않을 경우 종래 기술에서 극복하기 위해 다양하게 시도된 것과 같은 건강 및 안전 문제를 야기할 수 있다.
가스/금속 반응에 불소 화합물과 같은 가스가 사용되는 경우, 그 가스는 그 부식 특성에 적절하게 적당한 방식으로 저장 및 공급될 수 있다. 예를 들면, 상기 가스는 1996년 5월 21일에 등록 공고된 글렌 엠. 탐 및 제임스 브이. 맥메너스의 미국 특허 제5,518,528호에 개시된 것과 같은 방식의 흡착제를 기본으로 하는 저장 및 분배 장치에 의해 공급될 수 있는데, 상기 특허는 본 명세서에 참고로 합체된다.
불소 함유 반응 가스는 부식 문제를 최소화 또는 피하기 위하여, 폴레테트라플루오로에틸렌(PTFE)이 발라진(lined) 공급 용기 및 연결 배관을 필요로 할 수 있다. 그 밖의 반응 가스는 상응하는 변형 또는 안전 장치를 필요로 할 수 있지만, 이러한 조치는 도펀트 가스 자체의 충분한 저장부와 관련한 위험보다 보다 쉽게 수용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
이제 도면을 참고로 하여 설명하면, 도 1에는 도펀트 가스 종을 현장에서 생성하고 그 도펀트 성분을 이온 주입하기 위한 처리 장치의 개략도가 도시되어 있다.
처리 장치(10)에는 저항 가열 코일(18)이 들어 있는 금속 봉(16)이 포함된 내부 체적(14)을 한정하는 반응 챔버(12)가 포함되어 있다. 가열 코일(18)은 리드(lead)(20, 22)에 의해 전기 전원(24)에 연결되어 있다. 가스 분배 매니폴드(30)가 챔버(12)의 내부 체적(14)에 포함되어 있는데, 상기 매니폴드의 가스 유동 개구부(32)는 펌프(36)에 연결된 매니폴드 공급 라인(34)과 연통된다. 펌프(36)는 공급 용기(40)로부터 공급 라인(38)의 반응성 가스를 수용하는데, 상기 용기는 전술한 바와 같이 불소 함유 반응성 가스가 사용될 때, 보호를 위해 예컨대 구리 또는 Monel과 같은 불소 저항 합금이 발라질 수 있다.
매니폴드(30)는 반응 챔버(12)의 하측부에 배치되어 있다. 반응 챔버의 상측부에는 가스 수집 매니폴드(42)가 배치되어, 가스/금속 반응 생성물 가스를 수집한다. 상기 반응 생성물 가스는 매니폴드(42)로부터 배출 라인(44) 내로 배출된다. 생성물 가스는 라인(44)으로부터, 장착부(54)에 배치된 기재 요소(52)를 포함하는 이온 주입 용기(48)와 연관된 아크 챔버(46)로 들어간다.
반응 생성물 가스는 아크 챔버(46)에서 이온화된다. 그 결과 얻어지는 이온 종은 아크 챔버로부터 양이온 금속 도펀트 종의 스트림(50)과 같이 화살표 A로 나타낸 방향으로 배출되어, 기재 요소(52)를 때려 이온/원자 종을 도핑하는 것과 같이 기재 요소의 구조에 매립된다.
이온 주입 용기(48)는 라인(56)에서 유출물 가스를 처리 복합 장치(58) 쪽으로 배출한다. 처리 복합 장치에서, 유출물 가스 스트림은 원하지 않는 성분을 제거 또는 줄이기 위하여 처리될 수 있고, 이러한 처리에 이어서 처리 장치로부터의 최종 유출물은 처리 복합 장치로부터 라인(60)으로 배출된다.
도 1에 도시한 처리 장치의 작동시, 공급 용기(40)로부터의 반응성 가스는 라인(38)을 통해 펌프(36)로 유동하고, 펌프로부터 매니폴드 공급 라인(34) 쪽으로 배출된다. 반응성 가스는 매니폴드 라인(34)으로부터, 매니폴드(30)의 가스 유동 개구부(32) 쪽으로 유동하여, 가스/금속 반응 챔버(12)의 내부 체적 내로 배출된다. 다음에, 상측으로 유동하는 반응성 가스는 금속 봉(16)의 외면과 접촉하는데, 상기 봉은 리드(20, 22)를 통해 전기 전원(24)과 연결되어 있는 내장 가열 요소(18)에 의해 적당한 온도로 가열된다.
상측 및 막대(16)의 외표면 위로 유동하는 반응성 가스는 반응하여, 도펀트 가스 종을 형성하고, 다음에 그 가스 종은 매니폴드(42)에서 수집되어 배출 라인(44)에서 아크 챔버 쪽으로 유동한다.
상기한 형태의 금속은 도시된 간단한 봉 형태에서 널리 변형될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들면, 상기 금속을 포함하는 복수 개의 별도의 요소가 반응 챔버에 제공될 수 있다. 별법으로서, 상기 반응 챔버에는 유동층(fluidized bed)이 포함될 수 있는데, 상기 유동층에서 금속은 불연속 형태이고 반응성 가스에 의해 유동화되어 도펀트 종 반응 생성물을 형성한다. 또 다른 별법으로서, 상기 금속은, 다공성 금속 요소를 통해 유동하는 반응성 가스를 수용하는 관통 유동 용기(flow-through vessel)에 배치되는 그레이트(grate) 또는 천공체(perforate body) 형태로 제공되어 가스/금속 반응을 일으킬 수 있다.
도 1의 처리 장치에 도시된 단일 가스 공급원 대신에, 본 발명은 복수 개의 가스 공급원으로 실행될 수도 있는데, 각각의 공급원은 공통의 금속 함유 반응 챔버를 제공하고, 이러한 복수 개의 가스 공급원은 반응 챔버에 함께 공급될 수 있거나, 그렇지 않으면 단일 또는 교환식으로 유동되어, 원하는 도펀트 가스 종 조성을 얻는다.
도 2를 참조하면, 내부 체적(84)을 정하는 반응 용기(82)가 포함되어 있는 가스/금속 반응 장치(80)가 도시되어 있다. 상기 내부 체적에서, 복수 개의 금속 스크린(90)이 반응성 가스의 유동 경로를 가로질러 연장되게 배치되어, 반응성 가스가 금속 스크린을 통해 유동할 때 가스/금속 반응이 일어난다.
반응 챔버(82)에는 가스 공급 라인(110)과 밀폐 가스 유동 연통식으로 결합된 가스 분배 매니폴드(112)가 포함되어 있다. 상기 매니폴드는 복수 개의 노즐(114)과 연관되어 있는데, 반응성 가스는 상기 노즐에 의해 챔버의 내부 체적(84)에 분배된다.
상기 반응성 가스는 가스 공급 라인(110)에서 챔버(82)로 도입되고, 노즐(114)에 의해 매니폴드(112)로부터 챔버의 내부 체적 내로 배출되어 금속 스크린(90)과 접촉한다. 상기 반응성 가스는 상기 스크린의 금속과 반응하여, 도펀트 생성물 가스 종을 산출하는데, 이 가스 종은 챔버(82)로부터 가스 배출 라인(116)으로 배출된다.
도 3은 도펀트 반응 생성물 종을 생성하는 복수의 금속체 및 도펀트 반응 가스를 포함하는, 도펀트 종을 현장에서 생성하는 처리 장치(140)의 개략도이다.
처리 장치(140)에는, 각각 금속체(150, 148, 146, 144)가 포함되어 있는 내부 통로(190, 192, 194, 196)로 나뉘어진 반응 챔버(142)가 포함되어 있다. 챔버(142)의 하류측 단부는 유출물 가스 수집 매니폴드(198)와 가스가 유동하여 통하는 식으로 결합되어 있고, 상기 매니폴드는 반응 생성물 가스를 상기 처리 장치로부터 배출 라인(200)으로 배출한다. 챔버(142)의 상류측 단부는, 반응 챔버 통로(190, 192, 194, 196)와 각각 연통되는 분기 라인(branch line)(154, 156, 158, 160)이 마련된 공급 가스 매니폴드(152)와 연결되어 있다.
공급 매니폴드 분기 라인(154, 156, 158, 160)에는 각각 유동 제어 밸브(162, 164, 166, 168)가 제공되어 있다. 이들 유동 제어 밸브는 원하는 양의 가스가 통과하여 유동하도록, 완전히 개방된 상태와 완전히 닫힌 상태 사이에서 조절될 수 있다. 유동 제어 밸브(162, 164, 166, 168)는 신호 전송 와이어(170, 171, 172, 174)에 의해 중앙 처리 유닛(176)에 각각 연결된 액츄에이터 제어식 밸브이다.
상기 중앙 처리 유닛은 가스 공급 라인(184)의 센서(182)와 감지 관계식으로 배열되어, 가스 유동 센서(182)에 의해 감지되는 것과 같이, 가스 공급 라인(184) 내의 유량에 응답하여, 각 통로(190, 192, 194, 196)를 통한 유량을 변화시킬 수 있다. 센서(182)에 의해 감지된 유량은 신호 전송 와이어(180)에 의해 중앙 처리 유닛(176)으로 전송되고, 그 제어 신호는 각각 밸브(160, 164, 166, 168)로 전송되어 원하는 정도로 그 밸브를 개폐한다. 가스 공급 라인(184)은 가스 공급 라인(191, 193, 195)에 의해 각각 가스 공급 용기(185, 186, 187)에 연결된 가스 공급 제어 밸브(197)로부터 가스를 수용한다.
도 3에 도시된 배치에 의해서, 가스 공급 용기(185, 186, 187)는 밸브 신호 라인(201)을 통해 중앙 처리 유닛(176)에 의해 제어 가능한 양과 비율로 가스를 도입할 수 있다. 이러한 배치에 의해서, 밸브(197)는 공급 가스 용기 중 단 한 용기로부터의 가스 공급을 제어하거나, 두 종류 이상의 가스 혼합물이 상기 금속체가 포함된 통로 쪽으로 유동하는 것을 제어할 수 있다.
도 3에 도시된 방식의 장치는, 다른 개수의 가스 공급 용기 및/또는 가스/금속 접촉 및 반응을 위한 금속체를 포함하는 다른 개수의 통로를 비롯하여, 본 발명의 넓은 범위 내에서 널리 변형될 수 있다. 별법으로서, 본 발명의 장치는 복수 개의 금속 공급체와 링크된 복수의 공급 가스를 수용하게 배열될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스/금속 접촉 장치의 개략도이다. 도 4의 장치(210)에는 단부판(214, 216)이 마련된 캐루셀(carousel)(212)이 포함되어 있는데, 상기 단부판에는 그 양 단부 각각에서 개방된 복수 개의 캐니스터(canister)가 장착되어 있다. 각 캐니스터(230, 234, 238)에는 반응성 금속체(232, 236, 240)가 각각 포함되어 있다. 상기 캐루셀의 단부판(214)의 외주면은, 샤프트(220)에 장착되고 구동 모터(222)에 의해 화살표 G 방향으로 구동되는 구동 기어(218)와 맞물리게 구성되어 있다. 이러한 회전은 그에 상응하게 상기 캐루셀을 화살표 R 방향으로 회전시킨다.
도 4의 장치에는 캐니스터(230, 234, 238) 중 한 캐니스터의 개방 단부와 직렬식으로 맞물리는 가스 공급 포트(250)가 마련된 가스 공급 매니폴드(252)가 포함되어 있다. 가스 공급 포트(250)는 상기 통로와 활주식으로 맞물리게 배열될 수 있는데, 캐루셀의 회전은, 가스 공급 포트와 정합되어 있는 금속체가 포함된 캐니스터의 내부 체적을 통해 반응성 가스가 유동하는 동안 일시적으로 정지된다. 동시에, 수납 포트(253)를 포함하는 유출물 매니폴드(254)는 가스 공급 포트(250)와 맞물린 단부와 반대쪽의 캐니스터 단부와 맞물린다. 이러한 방식으로, 반응성 가스는 화살표 I 방향으로 나타낸 방향으로 그리고 금속체(240)를 포함하는 캐니스터(238)를 통해 매니폴드(252) 내로 유동하며, 이어서 반응 생성물 가스는 화살표 O 방향으로 상기 수납구(253)를 통해 유출물 매니폴드 내로 배출된다.
이러한 배치에 의해서, 상기 반응성 가스는 금속체를 포함하는 주어진 캐니스터를 통해 미리 정해진 시간 동안 유동하고, 이어서 그 가스 유동은 종료되며, 캐루셀은 다음의 금속체로 회전된다. 이러한 목적을 위해서, 매니폴드(252, 254)는 캐니스터를 통한 가스 유동에 이어 진공 퍼지될 수 있어, 다음의 캐니스터가 공급 및 유출물 매니폴드의 각 포트와 맞물리는 위치로 회전될 때 주변과 연통하는 것을 피하게 된다.
도 5는 기재를 도핑하는 데 이용되는 도펀트 가스 종을 생성하기 위하여 금속과 반응하는 반응성 종을 생성하도록 공급 가스가 해리되는 처리 장치의 개략도이다.
도 5를 참조하면, NF3와 같은 공급 가스가 공급 용기(300)에 제공된다. 이러한 용기에는 표준 가스 실린더(302)가 포함될 수 있는데, 상기 실린더의 상측 목부에는 공급 가스를 배출 라인(308)으로 선택적으로 유동시키는 수동 휠(306) 또는 다른 밸브 액츄에이터 수단(예를 들면, 공기압식 또는 마이크로일렉트로닉스 밸브 액츄에이터)이 장착된 밸브 조립체(304)가 구비되어 있다.
상기 공급 가스는 배출 라인(308)에서 해리 챔버(310) 쪽으로 유동하는데, 상기 챔버에서 공급 가스는 해리되어, 차후 금속과 반응하여 도펀트 종을 생성하는 반응성 가스를 형성한다. 해리 챔버(310)는 공급 가스를 해리하기 위하여, 예비 플라즈마(pre-plasma)를 사용하도록 적절히 구성 및 배열될 수 있는데, 전기 해리(electrolytic dissociation), 화학 작용식 복사 중재 해리(actinic radiation-mediated dissociation), 코로나 방전, 열 중재식 해리 등과 같이, 적절한 플라스마 발생 수단 또는 그 밖의 해리 수단 또는 방법이 이용될 수 있다.
다음에, 금속과 반응하는 가스 종이 포함되어 있는 상기 해리 가스는 라인(312)에서 접촉 챔버(314) 쪽으로 유동된다. 접촉 챔버(314)에는, 예컨대 도시된 것처럼 원석(boule) 또는 바아(316) 형태와 같이 적절한 형태의 금속이 포함되어 있다. 해리된 공급 가스에서 유래하는 반응성 가스 종은 금속과 반응하여, 반응 생성물 가스에 도펀트 가스 종을 형성한다. 반응 생성물 가스는 접촉 챔버(314)로부터 라인(318)을 통해 화학 증착 반응기(320) 쪽으로 유동하여, 서스셉터(susceptor)(324)에 장착되어 도핑 작업에 적절한 상태로 유지되는 박막 부재(322)를 도핑한다. 배출 가스는 화학 증착 반응기(320)로부터 라인(326)으로 배출되고, 유출물 처리 장비 또는 다른 최종 용도 또는 처리 장치를 통과할 수 있다.
상기 공급 가스는, 예컨대 다음의 반응식에 따라 해리되는 NF3를 포함할 수 있다.
NF3--＞ xF + N2
상기 반응식에서, 다음의 반응식에 따라 금속과 반응하도록 (예컨대, 불소 라디칼, 이온 등 형태의) 불소 가스 종이 사용된다.
xF + M --＞ MFx(가스)
상기 반응식에서, M은 반응성 가스 종과 같이 불소와 적절히 반응하여 도펀트 가스 금속 불화물 종을 생성하는 금속이다.
도 5를 참고로 하여 도시하고 전술한 것과 같은 화학 증착을 통해 도핑하는 대신에, 전술한 일반적인 접근법이 기재 물품에서 주입을 위해 이용되는 이온 주입 종을 생성하는 데 채택될 수 있다.
전술한 설명으로부터, 본 발명은 각종 다양한 실시예, 장치 및 처리 형태로 실행될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 전술한 실시예 및 특징은 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 다른 변형, 수정 및 실시예가 그 자체로 당업자에 암시될 수 있다. 따라서, 본 발명은 후술하는 청구의 범위와 양립하게 널리 해석될 수 있다.
본 발명의 장치 및 방법은 반도체 재료 및 반도체 장치를 제조하는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 장치 및 방법은 비소, 인, 셀레늄, 텔루륨, 게르마늄, 안티몬, 인듐 등과 같은 도펀트 종을 상기한 것과 같은 제조 용도를 위해 현장에서 바로 생성할 수 있게 해주며, 이는 다량의 도펀트 재료를 운반 및 저장할 필요성을 제거해 준다.
Claims (32)
- 금속 및 이 금속과 반응하여 도펀트 가스 종을 형성하는 가스와의 반응 생성물인 도펀트 가스 종을 생성하는 도펀트 가스 종의 생성 장치로서,상기 금속의 공급체와;상기 반응성 가스를 상기 금속 공급체에 접촉되게 유동시켜 반응을 일으키고 상기 도펀트 가스 종을 생성하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 금속은 고체 또는 용융된 액상체 형태인 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 금속 공급체는 반응 챔버 내에 배치되며, 이 반응 챔버를 통해 상기 반응성 가스가 유동되어 가스/금속 반응이 일어나는 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 장치.
- 청구항 3에 있어서, 복수개의 금속 공급체를 포함하는 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 장치.
- 청구항 1에 있어서, 복수 종의 반응성 가스와, 이 반응 가스를 상기 금속 공급체와 접촉되게 별도로 및/또는 혼합 상태로 유동시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 장치.
- 청구항 1에 있어서, 복수개의 가스 공급원을 포함하며, 그 가스 공급원은 이 공급원으로부터의 반응성 가스를 제어 가능하게 혼합하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 금속은 게르마늄, 안티몬, 인듐 및 인으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 금속 공급체는 상기 반응성 가스가 도입되는 유입부와 반응 생성물 가스가 배출되는 유출부가 마련된 반응 챔버 내에 배치되는 금속 봉인 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 반응성 가스는 NF3, ClF3, CF3I, CF3H, H2, NH3, HF, BF3, F2, Cl2, SiF4및 이들 중 두 종류 이상으로 구성되는 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 반응성 가스는 공급 가스의 해리에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 장치.
- 청구항 10에 있어서, 상기 공급 가스는 해리 챔버 내에서 해리되며, 이 해리 챔버는 예비 플라즈마, 전기 해리, 열 해리, 또는 코로나 방전에 의해 해리되도록 구성 및 배열되는 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 장치.
- 이온 주입 및 도펀트 가스 종의 현장 생성 장치로서,상기 도펀트 가스 종은 금속 및 이 금속과의 반응으로 상기 도펀트 가스 종을 생성하는 가스와의 반응 생성물이며,상기 장치는상기 금속의 공급체와;상기 반응 가스를 상기 금속 공급체와 접촉되게 유동시켜 반응을 일으키고 도펀트 가스 종을 생성하며 그 도펀트 가스 종을 회수하는 수단과;상기 도펀트 가스 종을 수용하고 그 가스 종을 이온화하여 이온 도펀트 종을 형성하도록 배열되는 이온화 챔버와;내부에 배치된 기재에 상기 이온 도펀트 종을 수용하도록 배열되는 이온 주입 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 및 도펀트 가스 종의 현장 생성 장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 금속 공급체를 주변 온도 이상으로 가열하는 가열 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 장치.
- 청구항 13에 있어서, 상기 가열 수단은 상기 금속 공급체를 저항 가열 또는 고주파 가열하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 장치.
- 도펀트 가스 종의 생성 방법으로서,금속의 공급체를 제공하는 단계와;상기 금속과의 반응으로 금속을 에칭하여 도펀트 가스 종이 형성되도록 할 수 있는 반응성 가스를 상기 금속 공급체에 접촉되게 유동시켜, 상기 반응성 가스가 금속과 반응하고 도펀트 가스 종이 생성되도록 하는 단계와;상기 도펀트 가스 종을 회수하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 방법.
- 청구항 15에 있어서, 상기 금속 공급체는 고체 형태인 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 방법.
- 청구항 15에 있어서, 상기 금속 공급체는 반응 챔버 내에 배치되며, 이 반응 챔버를 통해 상기 반응성 가스가 유동되어 가스/금속 반응이 일어나는 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 방법.
- 청구항 17에 있어서, 복수 개의 금속 공급체를 포함하는 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 방법.
- 청구항 15에 있어서, 복수 종의 반응성 가스를 상기 금속 공급체에 접촉되게 별도로 및/또는 혼합 상태로 유동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 방법.
- 청구항 19에 있어서, 상기 반응성 가스를 제어 가능하게 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 방법.
- 청구항 15에 있어서, 상기 금속은 게르마늄, 안티몬, 인듐 및 인으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 방법.
- 청구항 15에 있어서, 상기 금속 공급체는 상기 반응성 가스가 도입되는 유입부와 반응 생성물 가스가 배출되는 유출부가 마련된 반응 챔버 내에 배치되는 금속 봉인 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 방법.
- 청구항 15에 있어서, 상기 반응성 가스는 NF3, ClF3, CF3I, CF3H, H2, NH3, HF, BF3, F2, Cl2, SiF4및 이들 중 두 종류 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 방법.
- 청구항 15에 있어서, 상기 반응성 가스는 공급 가스의 해리에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 방법.
- 청구항 24에 있어서, 상기 공급 가스는 예비 플라즈마, 전기 해리, 코로나 방전 및 열 해리로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 해리되어 상기 반응성 가스를 형성하는 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 방법.
- 청구항 24에 있어서, 상기 공급 가스는 NF3인 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 방법.
- 이온 주입 및 도펀트 가스 종의 현장 생성 방법으로서,상기 도펀트 가스 종은 금속 및 이 금속과의 반응으로 상기 도펀트 가스 종을 생성하는 가스와의 반응 생성물이며,상기 방법은상기 금속의 공급체를 제공하는 단계와;상기 반응성 가스를 상기 금속 공급체에 접촉되게 유동시켜 반응을 일으키고 도펀트 가스 종을 생성하며 그 도펀트 가스 종을 회수하는 단계와;상기 회수된 도펀트 가스 종을 이온화하여 이온 도펀트 종을 생성하는 단계와;상기 이온 도펀트 종을 기재로 유동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 및 도펀트 가스 종의 현장 생성 방법.
- 청구항 15에 있어서, 상기 금속 공급체를 주변 온도 이상으로 가열하는 가열 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 방법.
- 청구항 28에 있어서, 상기 가열 단계는 상기 금속 공급체를 저항 가열 또는 고주파 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 방법.
- 청구항 15에 있어서, 상기 도펀트 가스 종을 에피택시얼 성장 막에 합체되도록 화학 증착 챔버로 유동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 방법.
- 청구항 15에 있어서, 상기 도펀트 가스 종을 이온 주입 장치의 이온화 챔버로 유동시켜 이온 도펀트 종을 생성하고, 그렇게 이온화된 종을 수용하도록 배치된 기재 쪽으로 그 이온화된 종을 지향시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도펀트 종의 생성 방법.
- 청구항 15에 있어서, 상기 금속 공급체는 상기 금속과 가스와의 반응이 용이하도록 가열되는 것을 특징으로 하는 도펀트 가스 종의 생성 방법.
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