KR20050074309A - 기판에 주입하는 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 이온주입기 - Google Patents

기판에 주입하는 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 이온주입기 Download PDF

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KR20050074309A
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Abstract

주입기는 빔이 기판상에 래스터 스캔 라인들을 그리도록 주입 빔에 대해 기판의 2차원 스캐닝을 제공한다. 빔 전류는 기판의 전환 포인트들에서 측정되고 전류 값은 느린 스캔 방향에서 빔 전류의 임의의 변화 효과에 대한 도즈 균일성에 대해 보상하도록 추후 빠른 스캔 속도를 제어하기 위하여 사용된다. 스캐닝은 비교차 균일 간격 평행 래스터 스캔 라인들을 형성할 수 있고 라인들 사이의 간격은 적당한 도즈 균일성을 보장하기 위해 선택된다.

Description

기판에 주입하는 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 이온 주입기{A METHOD OF IMPLANTING A SUBSTRATE AND AN ION IMPLANTER FOR PERFORMING THE METHOD}
본 발명은 기판과 주입 빔 사이의 상대적 이동이 주입되는 종들의 목표되고 균일한 도즈를 기판의 표면상에 유지하도록 제어되는 기판에 주입하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 방법을 수행하기 위하여 제공된 이온 주입기들에 관한 것이다.
종래 이온 주입기에서, 비교적 작은 목표된 원자 종들의 이온 빔의 단면은 주입될 기판, 통상적으로 반도체 기판과 관련하여 스캔된다.
빔은 고정 웨이퍼에 관련하여 2차원적으로 횡적으로 스캔될 수 있거나, 상기 웨이퍼는 고정된 빔에 관련하여 2차원적으로 스캔될 수 있다. 빔이 일차원으로 스캔될때, 웨이퍼가 제 2의 통상적으로 직각 방향으로 기계적으로 스캔되는 하이브리드 스캐닝 기술들이 또한 있다.
다양한 기술들은 장점들 및 단점들을 가진다. 반도체 웨이퍼들의 일괄 처리를 위하여, 한무리의 웨이퍼들은 회전 휠상에 장착될 수 있고 상기 휠의 회전 축은 고정 빔을 가로질러 웨이퍼들의 2차원 기계적 스캐닝을 제공하도록 전후로 스캔될 수 있다. 이런 종류의 일괄 주입기의 예는 미국특허번호 5,389,793에 기술된다.
단일 웨이퍼 주입기들은 상기된 하이브리드 기계적 및 정전기 또는 전자기적 빔 스캐닝을 이용할 수 있다. 상기 장치는 공동으로 양도된 미국특허번호 5,898,179에 기술된다. 이 특허에서, 이온 빔은 웨이퍼가 제 2 수직 방향으로 기계적으로 이동되는 동안 이온 주입기의 빔 축에 수직인 제 1 방향으로 전자기적으로 스캔된다.
반도체 웨이퍼 또는 다른 기판내에 주입되는 목표된 종들의 총 도즈(dose)가 전체 기판 표면에 걸쳐 목표된 레벨의 도즈 균일성을 가지는 것을 보장하는 것은 주입시 중요하다. 상기된 일괄형 주입기들에서, 상기 보장은 고속으로 주입 휠을 회전하고 휠상에 장착된 웨이퍼들이 주입 처리 동안 여러번 빔을 가로질러 통과하도록 전후로 스캐닝함으로써 달성된다. 상기된 하이브리드 단일 웨이퍼 주입기들에서, 도즈 균일성은 주입되는 웨이퍼의 기계적 이동과 비교하여 비교적 고속으로 정전기 또는 전자기 빔 스캐닝을 수행함으로서 유지된다. 웨이퍼의 기계적 이동 방향에서 웨이퍼상 도즈 균일성은 이런 기계적 이동 속도를 제어함으로써 보장되지만, 기계적 이동 속도는 항상 빔 스캐닝 속도보다 훨씬 느리다.
두개의 이차원 기계적 스캐닝을 사용하는 주입기에서 우수한 도즈 균일성을 얻기 위한 장치들이 WO 03/088299를 참조하여 이루어진다. 본 발명의 실시예들은 상기된 주입기 및 주입 방법에 비해 개선을 가진다.
본 발명의 실시예들의 목적은 다음으로부터 명백할 바와같이 특정 장점들을 제공할 수 있는 새로운 스캐닝 알고리듬을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명은 a) 소정 빔 방향을 가진 주입 빔을 생성하는 단계, b) 기판의 평면에 횡방향 축을 중심으로 주입 빔에 관련하여 제 1 방향으로 기판을 지향시키는 단계, c) 상기 제 1 방향에서, (ⅰ) 기판상으로 적어도 하나의 빔의 통과를 형성하도록 빔 방향에 횡방향의 제 1 방향에 평행하고 (ⅱ) 각각의 상기 통과 동안 기판상으로 빔의 다수의 스캔들을 형성하기 위하여 상기 빔 방향 및 제 1 방향에 횡방향의 제 2 방향에 평행한 기판 및 빔 사이의 제 1 상대적 이동을 형성하여, 상기 스캔들이 상기 제 1 방향에서 소정 간격을 가진 중간 포인트들을 구비한 제 1 래스터(raster)의 라인들을 기판상에 그리는 단계, d) 상기 제 1 방향으로 상기 축을 중심으로 180°로 상기 제 2 방향으로 기판을 지향시키는 단계, 및 e) 상기 제 2 방향에서, 상기 제 1 래스터의 라인들과 인터리빙된 제 2 래스터의 라인들을 기판상에 그리도록 상기 기판 및 빔 사이의 상기 제 2 상대적 이동을 형성하는 단계를 포함하는 기판에 주입하는 방법을 제공한다.
상기 방법에서, 상기 횡축을 중심으로 기판의 방향은 인터리빙된 스캔들 사이에서 반대이다. 이런 과정은 결합된 인터리빙 스캔들의 효율적인 라인 피치가 감소되기 때문에 기판에 전달된 도즈의 상기 제 1 방향에서 우수한 균일성을 보장한다. 동시에, 주입 세그먼트들 사이에서 방향을 반전시키는 것은 빔의 이온들의 주입 각도들의 분배에서 임의의 비균일성을 안정시킨다.
추가로, 기판의 열적 로딩은 감소될 수 있다. 상기 기판 및 빔 사이의 제 1 상대적 이동은 느린 스캔 방향 및 방향이 실제로 일반적으로 반대 방향인 이동이다. 반대의 느린 스캔 통과들 사이에서 180°만큼 기판 방향을 회전시키는 것은 각각의 통과가 기판의 동일한 에지 포인트로부터 시작하여 기판을 가로지르게 하여, 이온 빔의 노출 가열 효과는 안정화된다.
본 발명은 느린 스캔 방향에서 빔 및 스캔 사이의 연속적인 상대적 이동을 사용하는 것을 이용하고, 기판상에서 지그재그 또는 톱니 스캔 패턴을 형성할 수 있다. 그러나, 보다 우수한 결과들은 만약 스캔들이 기판상에서 서로 교차하지 않고 균일하게 간격진 실제로 평행한 라인들의 래스터를 유도하면 얻어진다.
기판상에서 우수한 도즈 균일성은 상기 제 1 방향으로 기판상 빔의 단일 통과 동안에서 조차 얻어질 수 있다.
또한 중요하게, 우수한 도즈 균일성은 비록 상기 제 2 방향으로 빔의 빠른 스캔들이 전자기/정전기 빔 스캐닝 시스템들로 달성할 수 있는 스캐닝 속도들에 비해 비교적 느리더라도 가능하다. 결과적으로, 상기 방법은 단일 웨이퍼 기계적 스캐닝 시스템들에서 특히 적용할 수 있고, 여기서 빔에 대한 웨이퍼의 빠른 스캐닝은 웨이퍼 홀더상에서 웨이퍼의 기계적 이동을 왕복함으로써 달성된다. 왕복 기계적 스캐닝 시스템들에서, 웨이퍼가 주입 빔을 가로질러 왕복될 수 있는 최대 속도는 제한된다. 결과적으로, 주입되는 목표된 원자 종들의 소정 플럭스를 가진 주입 빔에서, 빔이 소정 영역상에서 단일 횡단시, 스캔 경로에서 기판의 각각의 단위 영역에 전달되는 도즈량은 매우 크다. 그러므로, 연속적인 빠른 스캔들 사이의 간격, 특히 스캐닝 시스템에 의해 형성되는 래스터 라인들 사이의 간격은 커지는 경향이 있다.
바람직하게, 상기 제 2 방향으로 기판과 빔 사이의 상대적 이동은 상기 제 2 방향에 평행인 기판을 기계적으로 왕복운동시킴으로써 형성되고, 상기 제 1 방향으로 상기 상대적 이동은 스캔들 사이의 균일한 거리만큼 상기 제 1 방향에 평행하게 상기 기판을 기계적으로 병진 운동시킴으로써 형성된다.
이런 종류의 2차원 기계적 스캐닝 과정은 웨이퍼들이 상기된 바와같은 하이브리드 스캐닝 단일 웨이퍼 주입기들에 사용되는 빔 스캐닝 시스템들 없이 비교적 간단한 빔 라인을 사용하여 한번에 주입되게(즉, 일괄 과정 없이) 한다. 웨이퍼의 왕복 운동 기계적 스캐닝은 전기 빔 스캐닝에 비해 비교적 느리기 때문에, 기판상에서 비교적 작은 빔 스캔들은 상기 처리 방법에 의해 지정된 요구된 원자 종들의 도즈를 기판에 전달하기 위하여 요구된다. 이것은 스캐닝 과정에 의해 형성된 래스터의 각각의 라인들이 이온 빔 폭의 상당한 부분만큼 간격질 수 있는 것을 내포한다. 또한 주입의 완료는 기판상에서 작은 수의 빔의 통과들만을 요구할 수 있다(상기된 제 1 방향은 기계적 왕복 운동 방향 즉, 제 2 방향에 횡방향이다).
통상적으로, 주입 빔은 상기 제 1 방향에서 비대칭인 강도 프로파일을 가진다. 그다음, 바람직하게, 상기 제 1 및 제 2 래스터들은 공통 라인 피치로 그려지고, 상기 제 2 상대적 이동은 50% 다른 제 1 래스터와 관련하여 공간 위상 시프트를 가지도록 상기 제 2 래스터를 그리고, 여기서 100% 위상 시프트는 상기 공통 라인 피치와 같다. 공간 위상 시프트는 상기 제 1 방향에서 도즈 균일성을 개선하도록 선택될 수 있다. 발생할 수 있는 도즈 균일성의 개선은 이후에 설명된다.
본 발명은 또한 목표된 원자 종들을 포함하는 소정 빔 플럭스를 가진 주입 빔을 형성하는 이온 빔 생성기를 포함하는 이온 주입기; 주입될 기판을 홀딩하고 상기 주입 빔에 관련하여 선택된 방향으로 트위스트(twist) 축을 중심으로 회전하도록 장착되는 기판 홀더; 주입 빔에 관련하여 선택된 방향으로 트위스트 축을 중심으로 상기 홀더를 회전시키기 위한 트위스트 드라이브; 홀더상 기판 웨이퍼와, (ⅰ) 기판상에서 빔의 적어도 한번 통과를 실행하도록 빔 방향에 횡방향의 제 1 방향에 평행하고 (ⅱ) 상기 각각의 통과 동안 기판상에서 빔의 다수의 스캔들을 형성하기 위한, 빔방향 및 상기 제 1 방향에 횡방향인 제 2 방향에 평행한 빔 사이에서 상대적 이동을 달성하도록 동작하여, 상기 스캔들이 상기 제 1 방향에서 균일하게 이격된 중간 포인트들을 가진 래스터 라인들을 기판상에 그리는 스캐닝 장치; 및 a) 상기 축을 중심으로 주입 빔에 관련하여 제 1 방향으로 홀더상 기판을 지향시키고, b) 상기 제 1 방향에서, 제 1 상기 래스터 라인들을 기판상에 그리도록 기판 및 빔 사이의 상기 제 1 상대적 이동을 형성하고, c) 상기 제 1 방향에 대한 상기 축을 중심으로 180°에서 상기 제 2 방향으로 홀더상 기판을 지향시키고, d) 상기 제 2 방향에서, 상기 제 1 래스터의 라인들과 인터리빙되는 제 2 래스터의 라인들을 기판상에 그리도록 기판 및 빔 사이의 상기 상대적 이동을 형성하기 위해, 주입 동안 상기 트위스트 드라이브 및 상기 스캐닝 장치에 배열된 제어기를 또한 제공한다.
상기 요약 및 하기의 상세한 설명에서, 용어 "래스터"는 주입되는 기판상 이온 빔에 의해 그려지는 스캔 라인들의 세트를 나타내기 위하여 사용된다. 단일 래스터의 스캔 라인들은 웨이퍼상 빔의 단일 통과(느린 스캔 방향)시 그려지거나, 두개 이상의 연속적인 통과들에 의해 그려질 수 있다. 래스터의 단일 스캔 라인이 기판상 빔의 다수의 중첩 스캔들에 의해 그려질 수 있다(빠른 스캔 방향)는 것이 또한 주의되어야 한다.
본 발명의 예들은 첨부 도면을 참조하여 기술될 것이다.
도 1을 참조하여, 도시된 이온 주입기는 이온 소스(10)를 포함하고, 상기 이온 소스로부터 이온 빔(11)이 방출 전극들(12)에 의해 방출된다. 그 다음 이온 빔(11)은 질량 분석기 자석(13)을 통하여 통과하고 주입될 원자 종들을 포함하는 이온들에 대응하며 목표된 질량을 가진 질량 분석기 자석(13)으로부터 방출된 빔의 이온들은 질량 분석 슬릿(14)에 의해 빔으로부터 선택된다. 잘 공지된 바와같이, 주입을 위해 선택된 빔 이온들은 주입되도록 요구된 원자 종들만을 포함하는 원자 이온들, 요구된 원자 종들을 포함하는 분자 이온들, 또는 목표된 종들의 다중 원자들을 포함하는 클러스터 이온들 또는 다중 분자들일 수 있다.
이온 주입기의 이들 구성요소들은 표준이고 이온 주입 분야에서 당업자들에게 잘 공지된다. 이들 구성요소들과 함께 반도체 웨이퍼에 주입을 위한 목표된 원자 종들을 포함하는 이온 빔을 생성하는 이온 빔 주입기가 형성된다.
상기된 빔 생성기로부터의 질량 선택 이온 빔은 일부가 15로 도시된 챔버 벽을 가진 진공 처리 챔버에 진입한다. 일반적으로 16으로 도시된 웨이퍼 스캐닝 장치는 처리 챔버의 벽(15)상에 장착되고 질량 선택 이온 빔(19)의 횡방향인 두개의 방향들에서 웨이퍼 홀더(18)상에 홀딩된 웨이퍼(17)를 스캔하도록 동작한다. 웨이퍼 홀더(18)는 처리 챔버의 내부에서 외부로 진공 밀봉부(22)를 통하여 연장하는 스캔 아암(21)의 원격 단부(20)상에 장착된다. 진공 밀봉부(22)는 처리 챔버 벽(15)과 관련하여 스캔 아암(21)에 대해 횡방향의 평면에서 회전 이동을 위하여 장착된 회전 캐리어 플레이트(24)상에서 스캔 아암(21)의 길이 방향 축의 횡방향으로 선형 이동하기 위하여 장착된 슬라이드 플레이트(23)에 형성된다.
스캔 아암(21)은 슬라이드 플레이트(23)상에서 길이 방향 이동을 위하여 장착되고 모터(25)에 의해 길이방향으로 왕복 구동될 수 있다. 스캔 아암(21)을 유지하는 슬라이드 플레이트(23)는 그 자체가 구동 모터(26)에 의해 스캔 아암(21)의 횡방향으로 구동될 수 있다. 구동 모터들(25 및 26)의 적당한 동작은 이온 빔(19)을 가로질러 2차원 스캔 패턴으로 웨이퍼 홀더(18) 및 상기 웨이퍼 홀더의 임의의 반도체 웨이퍼의 결합된 스캐닝 이동을 형성한다.
종래 실시예에서, 스캐닝 시스템의 회전 지지 플레이트(24)는 미국특허번호 5,898,179 및 GB-A-2360332에 개시된 바와같은 공기 베어링 및 진공 밀봉 결합물에 의해 처리 챔버 벽(15)상에 장착된다. 유사하게, 슬라이드 플레이트(23)는 상기된 미국특허 명세서에 개시된 바와같이 공기 베어링 및 진공 밀봉 결합물에 의해 다시 회전 지지 플레이트(24)상에 선형 운동을 위하여 장착된다. 스캔 아암(21)은 우리의 국제 특허출원 WO 03/088303에 개시된 선형 모터 및 순응식 공기 베어링 진공 밀봉 장치에 의해 슬라이드 플레이트(23)의 진공 밀봉부(22)를 통해 길이 방향 이동을 위하여 바람직하게 장착되고, 상기 명세서 내용은 전체적으로 참조로써 여기에 통합된다.
주입기의 처리 챔버에서, 패러데이는 빔(19)의 어느 부분도 홀더(18)상 웨이퍼, 또는 스캔 아암(21)상에 충돌하지 않도록 홀더(18)가 배치될때마다 전체 이온 빔(19)을 흡수하기 위한 위치에서 웨이퍼 홀더(18)의 하부에 배치된다. 패러데이(30)에 의해 이온 빔으로부터 흡수된 총 전하는 주입될 원자 종들을 포함하는 이온 빔(19)의 플럭스 측정치를 제공한다. 제어기(31)는 라인(32)상 패러데이(30)로부터 신호를 수신하고, 목표된 종들의 총 빔 플럭스에 대한 값을 이 신호로부터 유도하도록 동작한다. 제어기(31)는 또한 스캔 아암(21)의 스캐닝 운동을 제어하기 위하여 구동 모터들(25 및 26)의 동작을 제어하도록 동작한다.
바람직한 실시예에서, 제어기(31)는 도 1의 종이의 평면에서 빔(19)을 가로질러 선형 운동 시퀀스로 웨이퍼 홀더(18)를 이동시키도록 동작하고, 각각의 선형 운동은 상기 종이의 평면에 수직인 계단식 이동에 의해 분리된다. 최종 스캔 패턴은 도 2에 도시되고, 여기에서 점선(35)은 X 좌표 방향으로 스캔 아암(21)에 의해 전후 왕복운동될 때, 및 상기 왕복운동의 각각의 직선운동의 말단부에서 Y 좌표 방향에 평행하게 아래쪽으로 인덱스될때 웨이퍼 중심(36)의 궤적이다.
도 2에서, 이온 빔(19)은 실질적으로 웨이퍼(17)의 직경 미만인 직경을 가진 실질적으로 원형 단면을 가지는 것으로서 도시된다. 실제로, 웨이퍼(17)는 300mm의 직경을 가지는 반면, 이온 빔의 직경은 통상적으로 50mm이다. 도시된 바와같이, 웨이퍼(17)의 왕복운동 스캐닝 동작은 웨이퍼(17)의 모든 부분들이 이온 빔(18)에 노출되는 것을 보장한다. 웨이퍼(17)의 이동은 빔이 웨이퍼상에서 완전히 통과될때까지 빔(19)이 평행하고 똑같이 간격진 각각의 스캔들로 웨이퍼(17)상에서 반복되게 스캔되도록 한다.
비록 도 2의 라인(35)이 정적인 이온 빔(19)에 대해 홀더(18)상 웨이퍼(17)의 이동을 나타내지만, 라인들(35)은 또한 웨이퍼를 가로질러 이온 빔의 스캔들의 가시화를 나타낼 수 있다. 이런 목적을 위하여, 웨이퍼(17)는 도시된 스캔 패턴의 중심에서 점선 윤곽(17a)으로 표현되고 이온 빔은 19a로 표현된다. 분명하게, 웨이퍼(17a)와 관련된 이온 빔(19a)의 이동은 이온 빔(19)에 관련된 웨이퍼(17)의 실제 이동과 비교하여 역방향이다.
이런 실시예에서, 제어기(31)는 웨이퍼(17)를 스캔하여, 이온 빔(19a)은 기판상 비교차 균일 간격 평행 래스터 라인들을 그린다. 각각의 라인(37)은 기판상 이온 빔의 단일 스캔에 해당한다. 도시된 바와같이, 이들 이온 빔 스캔들은 웨이퍼(17)의 에지를 넘어서 빔 플럭스가 웨이퍼에 의해 흡수되지 않도록 빔 단면이 웨이퍼(17a)와 완전히 무관하게 되는 위치들(38)까지 연장한다. 이들 위치들에서, 빔(19a)의 전체 플럭스는 웨이퍼 홀더(18)의 아래쪽에 배치된 패러데이(30)에 도달하여, 목표된 종들의 전체 빔 전류는 제어기(31)에 의해 라인(32)상 신호로부터 결정될 수 있다. 빔(19a)이 웨이퍼(17a)상에서 스캔되는 도 2에 표현된 가시화 측면에서, 패러데이(30)가 빔(19a)과 함께 효과적으로 이동하는 것이 이해될 것이다. 실제로, 물론 빔(19) 및 패러데이(30)는 고정되고 웨이퍼(17)는 이동된다.
주입될 원자 종들의 빔 플럭스가 시간에 따라 일정하다는 것을 가정하면, 웨이퍼(17a)에 전달되는 목표된 종들의 도즈는 래스터 라인들을 따라 웨이퍼(17)의 이동 속도를 일정하게 유지함으로써 래스터 라인들(37)의 좌표 방향(X) 방향으로 웨이퍼상에 일정하게 유지된다. 또한, 각각의 래스터 라인들(37) 사이의 간격이 균일하다는 것을 보장함으로써, 좌표 방향(Y)을 따른 도즈 분배는 실질적으로 일정하게 유지된다.
그러나, 실제로 이온 빔(19)상에서 완전한 통과를 수행하기 위해, 즉 도 2에 도시된 바와같이 전체 래스터 라인들(37)의 통과를 완료하기 위하여 웨이퍼(17)에 대하여 걸리는 시간 동안 빔 플럭스의 몇몇 점진적인 변화가 있을수 있다.
스캐닝 래스터 동안 상기 빔 플럭스 변화들의 효과를 감소시키기 위하여, 제어기는 전체 빔 플럭스가 패러데이(30)에 의해 흡수될때의 위치들(38)에서 빔 플럭스를 측정하고 그 다음 웨이퍼 홀더(18)가 다음 스캔 또는 래스터 라인(37)상에서 이동되는 속도를 조절하기 위하여 측정된 플럭스를 사용하도록 배열된다. 빔 플럭스가 작아지는 것을 위치들(38)에서 빔 플럭스 측정치가 가리키면, 제어기는 웨이퍼 홀더가 스캔 라인을 따라 웨이퍼 홀더(18)의 단위 이동 거리 당 요구된 원자 종들의 목표된 주입 속도를 유지하기 위하여 보다 느린 속도에서 다음 스캔 라인(37)을 따라 구동된다. 이런 방식에서, 웨이퍼상에서 완전한 스캔 라인들의 형성 과정 동안 빔 전류의 임의의 변화들은 스캔 라인 간격 방향으로 기판에 전달되는 도즈의 변화를 유발하지 않는다.
상기된 실시예에서, 웨이퍼는 주입을 완료하기 위한 스캐닝 동작 동안 이온 빔에 수직인 평면에서 유지된다. 이것은 제로 각도 주입이다. 각이 형성된 주입들은 또한 수행되고, 웨이퍼(및 특히 웨이퍼의 결정 구조)는 주입 빔에 대해 경사직 각도 및 트위스트 방향으로 유지된다. 웨이퍼의 경사진 각도는 웨이퍼 홀더(18)상 웨이퍼(17)의 평면에서, 스캔 아암(21)에 평행한 축을 중심으로 회전 지지 플레이트(24)상에서 전체 스캐닝 장치(16)를 회전시키고 이온 빔 경로(19)를 교차시킴으로써 조절된다. 도 1은 플레이트(24)의 회전 축의 구조를 개략적으로 도시하고 정확하게 도시하지 않는다. 웨이퍼 트위스트 방향은 스캔 아암(21)의 원격 단부(20)상 트위스트 모터(56)와 함께 웨이퍼 홀더(18)를 웨이퍼 중심을 통과하는 수직 축을 중심으로 회전시킴으로서 조절된다. 웨이퍼의 경사진 각도는 중앙 스캐닝 장치(16)를 회전시킴으로써 조절되고, 웨이퍼가 추후에 스캔되는 평면은 이온 빔에 관련하여 동일한 각도로 평면(X, Y1)로 경사진다. 그 다음 경사진 웨이퍼는 웨이퍼의 평면에 평행한 평면에서 X 및 Y1 방향 모두에서 스캐닝 래스터 동안 병진 운동된다.
상기된 실시예에서, 반도체 기판 또는 웨이퍼 및 이온 빔 사이의 상대적 이동은 이온 빔에 횡방향의 두개의 방향으로 반도체 웨이퍼를 기계적으로 스캐닝함으로써 제공된다. 이것은 이온 빔 자체를 스캔하기 위하여 이온 빔 편향 시스템들을 사용하는 필요성을 게거한다. 그러나, 다른 실시예들에서, 빔은 빔 편향기들에 의해 웨이퍼 및 빔 사이의 2차원 상대적 스캐닝을 제공하는 두개의 횡방향중 적어도 하나에서 스캔될 수 있다. 그러나, 모든 경우들에서 스캐닝 시스템은 하나 이상의 통과들 각각에서 웨이퍼상 빔의 다중 스캔들을 형성하여, 스캔들은 기판상 비교차 균일 간격 평행 라인들의 래스터를 그린다. 또한 빔 플럭스는 스캔들이 웨이퍼의 에지를 넘어 연장하는 위치들에서 측정되고 다음 스캔 속도는 목표된 값에서 스캔의 단위 길이당 도즈 속도를 유지하기 위하여 조절된다.
도 1 및 2를 참조하여 상기된 기계적 스캐닝 시스템에서, 웨이퍼(17)는 각각의 개별 스캔 사이의 균일 거리 만큼 병진 운동된다. 즉, 상기 병진 운동은 도 2에 도시된 지그재그 래스터 패턴을 형성하기 위하여 그 축을 따라 스캐닝 아암(21)의 왕복 운동의 각각의 개별적 운동을 말한다. 그러나, 스캐닝 메카니즘은 래스터의 동일한 라인을 따라 다중 스캔들이 수행되도록 제어될 수 있다. 예를들어, 각각의 래스터 라인은 스캐닝 아암(21)의 이중 왕복 운동을 나타내고 그 다음 웨이퍼 홀더(18)는 각각의 이중 왕복 운동 사이에서만 균일한 거리만큼 병진운동된다. 최종 스캐닝 패턴은 도 3에 도시된다.
또한, 도 2는 Y 좌표 방향에 평행인 웨이퍼상 빔의 단일 통과만을 도시하지만, 완전한 주입 과정은 다중 통과들을 포함할 수 있다. 그다음, 주입 과정의 상기 각각의 통과는 균일하게 간격진 평행 라인들의 각각의 독립적인 래스터를 그리기 위하여 배열될 수 있다. 그러나, 다중 통과들의 스캔 라인들은 다수의 통과들의 스캔들로부터 효과적으로 그려지는 복합 래스터를 그리기 위하여 결합될 수 있다. 예를들어, 제 2 통과의 스캔들은 각각의 통과의 연속적인 스캔들 사이의 간격의 반인 균일한 래스터 라인 간격을 가진 복합 래스터를 형성하기 위하여 제 1 통과 스캔들 사이의 중간 포인트를 정밀하게 그릴 수 있다.
상기된 바와같이, 순수하게 기계적인 스캐닝 시스템을 사용하는 것은 웨이퍼 홀더의 기계적 스캐닝의 최대 속도에 의해 제한되는 반도체 웨이퍼상 이온 빔의 최대 이동 속도를 유발한다. 도 1에 도시되고 상기된 국제특허출원 WO 03/088303에 보다 상세히 기록된 종류의 기계적 스캐닝 시스템에서, 길이 방향 축을 따라 스캔 아암(21)의 최대 왕복운동 속도는 1Hz 정도일 수 있다. 주어진 이온 빔 전류, 또는 주입될 목표된 원자 종들의 플럭스에 대하여, 반도체 웨이퍼가 이온 주입 과정 동안 이온 빔에 노출될 수 있는 시간은 주입될 원자 종들의 레시피(recipe) 도즈에 의해 지시된다. 이온 빔에 관련한 웨이퍼의 오버 스캐닝이 웨이퍼상 도즈의 균일한 분산, 즉 도 2에 도시된 바와같은 사각형 래스터 패턴을 보장하기에 필요한 양으로 제한된다는 것을 가정하면, 제한된 기계적 스캔 속도와 결합하여 주입을 위한 제한된 총 시간이 웨이퍼 표면상 스캔들에 의해 그려진 래스터 라인들에 대한 간격을 나타내는 것이 도시되고, 여기서 각각의 스캔이 독립된 라인을 그리는 것이 가정된다.
분명하게, 래스터 라인 간격의 방향에서 웨이퍼에 전달되는 도즈의 적당한 균일성을 보장하기 위하여, 이런 간격 또는 라인 피치는 라인 간격 방향(도 1의 Y 좌표 방향)에서 이온 빔의 단면 크기 미만이어야 한다. 실제로, 도즈 균일성은 보다 작은 래스터 라인 피치로 개선된다.
레시피 도즈는 빔 전류, 스캐닝 메카니즘의 기계적 왕복운동 속도 및 요구된 레시피 도즈에 의해 지시된 라인 피치에서 래스터의 스캔 라인들을 그리는 단일 통과를 수행함으로써 웨이퍼에 전달될 수 있다. 그러나, 충돌하는 이온 빔에 의해 발생된 웨이퍼의 열적 로딩을 감소시키기 위하여, 이온 빔을 가로질러 웨이퍼의 다중 통과시 웨이퍼에 동일한 레시피 도즈를 전달하는 것이 바람직할 수 있다. 그 다음, 도즈 균일성을 최대화하기 위하여, 각각의 통과 동안 그려진 스캔 라인들은 감소된 라인 피치를 가진 복합 래스터를 형성하도록 이전 통과의 스캔 라인들을 인터리빙하게 바람직하게 배열된다.
예를들어, 만약 상기된 바와같은 레시피 도즈 요구들에 의해 지시된 라인 피치가 T이면, 4개의 통과들의 각각은 4T 만큼 간격진 스캔들로 이루어질 수 있다. 각각의 통과들은 양(T)만큼 통과 스캔들을 공간적으로 위상 시프트하도록 배열되어, 4개의 통과들에 의해 그려진 복합 래스터는 피치(T)를 가진 라인들을 가진다. 이런 방식에서, 웨이퍼의 열적 로딩은 래스터 라인 피치가 목표된 값(T)으로 유지되는 것을 보장하여 감소된다. 도 4는 상기된 바와같은 4개의 인터리빙된 통과들의 스캐닝 패턴의 일부를 도시한다.
본 발명을 구현하는 인터리빙된 스캐닝의 변형된 버젼은 도 13a, 13b, 13c 및 13d에 도시된다. 공지된 주입 과정에서, 목표된 주입 도즈는 동일한 비율들로 전달되고, 각각의 상기 비율들은 다른 트위스트 방향에서 웨이퍼와 함께 웨이퍼에 전달된다. 제로 각도 주입의 경우, 이온 빔에 일반적으로 수직인 웨이퍼에서, 요구된 레시피 도즈는 4개의 동일한 비율들로 전달되고, 상기 비율들은 웨이퍼 평면(및 이온 빔에 평행함)에 수직인 축을 중심으로 각각 똑같이 간격진 방향들에서 웨이퍼로 전달된다. 따라서, 4개의 다른 비율의 주입 도즈에 대한 다른 방향들은 이 실시예에서 90°만큼 간격진다. 최종 주입 과정은 "쿼드(quad)" 주입이라 불린다. 상기 쿼드 주입들에 대한 한가지 목적은 빔내의 이온들의 주입 각도들의 분배시 임의의 비균일성 효과를 제거하는 것이다.
다른 비율의 주입 도즈가 180°트위스트된 웨이퍼 방향으로 전달되는 상기 임의의 주입 과정에서, 각각의 비율의 도즈는 빔을 통하여 스캔되는 웨이퍼의 독립된 통과에 의해 전달될 수 있고, 이에 따라 웨이퍼상에 스캔된 이온들의 별개의 래스터를 생성한다. 그 다음, 180°트위스트된 웨이퍼로 생성된 래스터들은 도즈 균일성을 개선하기 위하여 인터리빙될 수 있다.
도 13a는 2T의 스캔 피치를 가진 제 1 래스터의 스캔 라인들(50)을 도시한다. 이런 제 1 래스터는 화살표(52)의 위치에 의해 지시된 제 1 방향으로 웨이퍼(51)에 수행된다. 제 2 래스터의 스캔 라인들을 수행하기 전에, 웨이퍼는 도 13b에 도시된 위치로 180°만큼 다시 지향된다. 그 다음 제 2 래스터의 스캔 라인들은 수행되고, 제 2 래스터의 라인들(53)은 제 1 래스터의 라인들(50) 사이 중간점에 인터리빙된다. 두개의 래스터들의 최종 복합물은 T의 전체 라인 피치를 가져서, 스캔 라인들(50 및 53)에 수직인 방향의 도즈 균일성은 증가될 수 있다.
쿼드 주입을 수행하기 위하여, 두개의 추가 래스터들의 스캔 라인들(54 및 55)은 도 13c 및 도 13d에 도시된 바와같이 수행되고, 웨이퍼는 도 13a의 방향에 관련하여 90°및 270°로 지향된다. 다시 제 4 래스터의 스캔 라인들(55)은 제 3 래스터의 스캔 라인들(54) 사이의 중간점에 인터리빙되도록 배열된다.
이런 종류의 쿼드 주입은 빔을 통한 웨이퍼의 4개의 독립된 통과들을 수행하기 위하여 도 1의 제어기(31)를 적당히 프로그래밍하고 각각의 통과 사이에 요구된 웨이퍼 홀더(18)를 재지향하기 위해 회전 구동 모터(56)를 동작시킴으로서 수행될 수 있다.
상기된 실시예에서, 쿼드 주입은 제로 주입 각도로 수행되어, 웨이퍼에 대한 수직은 이온 주입에 평행하다. 그러나, 만약 주입이 예를들어 상기된 바와같이 각을 형성한 주입을 제공하기 위하여 경사진 웨이퍼로 수행되면, 때때로 웨이퍼에 대해 수직인 축이 아니라, 이온 빔에 대해 평행한 축을 중심으로 다른 주입 세그먼트들을 위해 웨이퍼의 방향을 조절하는 것이 바람직할 수 있다. 이런 방식에서, 웨이퍼의 결정 축과 관련하여 빔의 각도는 다른 주입 세그먼트들에 대해 동일하게 유지된다.
비록, "쿼드" 주입이 상기 실시예에서 기술되었지만, 웨이퍼가 180°만큼 회전된 래스터들의 동일한 인터리빙은 보다 높은 차수의 주입들로 수행되고, 웨이퍼는 60°각도 간격들("섹스털(sextal)" 주입), 45°간격들("옥탈(octal) 주입), 또는 360°의 인자인 임의의 다른 각도 간격들로 재 지향된다.
상기되고 도 13a 내지 13d에 도시된 실시예들에서, 인터리빙된 래스터들 사이의 공간 위상 시프트는 도 13a 내지 13d에 도시된 스캔 라인들이 빔 중심의 궤적을 나타내는 것을 가정하면, 각각의 개별 래스터의 피치의 50%이다. 이것은 Y, 또는 스캔들 라인 간격, 방향에서 대칭인 프로파일을 가진 빔에 대해 우수하다. 그러나, 주입 빔은 일반적으로 다소 비대칭적이다. Y 방향에서 비대칭인 빔, 및 Y 방향의 빔 중심이 빔의 중간 포인트인 것을 가정하면, 180°만큼 재지향되거나 트위스트된 웨이퍼상 피치의 50%의 위상 시프트로 인터리빙된 래스터들은 웨이퍼상에서 두개의 인터리빙 래스터들을 수행하는 것이 일정한 방향으로 홀딩될때 얻어질 수 있는 것보다 상당히 나쁜 Y 방향의 도즈 불균일성을 초래한다.
이것에 대한 이유는 다음 분석으로 이해될 수 있다. 대칭 빔(Y 방향)의 경우, 인터리빙된 래스터들 사이에서 180°만큼 웨이퍼를 재지향시키는 것은 두개의 래스터들의 스캔 라인들로부터 Y 방향으로 빔 플럭스의 웨이퍼상 분배(또는 "풋프린트")에 차이를 만들지 않는다. 그러므로, 인터리빙된 래스터들로부터 발생하는 웨이퍼상 빔의 Y 프로파일의 대칭 풋프린트는 각각의 래스터들(도 13b에 도시된 바와같이)의 피치(T)의 절반과 같은 유효 간격(T/2)으로 이상적으로 반복된다.
그러나, Y 방향의 비대칭 프로파일을 가진 빔에 대하여, 웨이퍼상 빔의 Y 프로파일의 대응하는 비대칭 풋프린트는 제 2 래스터 동안 역전된다. 결과적으로, 웨이퍼상에서 빔의 Y 프로파일의 이상적인 풋프린팅은 각각의 래스터들의 피치(T)에만 동일한 유효 간격을 가진 인터리빙된 래스터들에서 반복된다. Y 프로파일의 비대칭 피쳐들은 유효 간격(T)을 가지며, 대칭 피쳐들은 유효 간격(T/2)을 가진다. 균일성이 유효 간격과 강하게 상관되기 때문에, Y 방향에서 비대칭인 빔에 대한 최종 균일성은 나빠진다.
180°웨이퍼 트위스트를 가진 인터리빙된 스캔들에 대한 균일성의 이런 품질 저하는 T/2(각각의 래스터 피치의 50%) 다른 인터리빙된 래스터들 사이의 위상 시프트를 선택함으로써 거의 완전히 제거될 수 있다. T/2 다른 최적 위상 시프트는 빔의 측정된 Y 프로파일 및 각각의 래스터의 의도된 피치(T)로부터 결정될 수 있다.
수치 분석은 피치(T)에서 단일 래스터의 라인 스캔들로부터 Y 방향의 도즈 분배를 계산하기 위하여 컴퓨터를 사용하여 수행된다. 그 다음, 이런 도즈 분배는 특정 피치 값(T)에 대해 Y 방향으로 최소 도즈 변화를 제공하는 최적화된 위상 시프트를 발견하기 위하여 다른 위상 시프트들에 대해 계산된 두개 및 다른 최종 결합 도즈 분배들 사이의 다른 공간 위상 시프트들에서 미러 이미지상에 수치적으로 중첩된다.
통상적인 비대칭 빔 프로파일에 대한 단일 래스터 피치 값들(T)의 범위상에서 최적화된 공간 위상 시프트 값들을 계산하는 것은 도즈 균일성이 얻어져서, 180°웨이퍼 트위스트(피치 T/2에서 단일 래스터와 같음) 없이 50%로 인터리빙된 비대칭 빔에 대한 매칭뿐 아니라, 몇몇 T의 값에서 상당히 우수한 균일성을 제공할 수 있는 것을 나타낸다. 이것은 도 15, 16 및 17에서 도시된다.
도 15는 Y 방향으로 다소 비대칭인 빔 프로파일의 그래픽이다. 도 16은 도 15의 빔 프로파일을 사용하여 웨이퍼상에서 래스터의 평행한 라인들에 대한 스캔 라인들의 피치(x 축)에 대한 비 균일 도즈(y 축)를 도시한다. 도 16에서, 라인(70)은 제로 각도 주입을 위한 다양한 피치들에서 단일 래스터로부터의 비균일성이다. 라인(71)은 두개의 중첩된 래스터들의 비균일성이고, 각각은 래스터들 사이에 웨이퍼의 임의의 재지향없이 50% 만큼 공간적으로 위상 시프트되고 라인(70)의 단일 래스터와 동일한 피치를 가진다. 그러므로 라인(71)의 도시는 x 축상 피치 값들을 이중화함으로써 직각으로 시프트된 라인(70)의 플롯에 대응한다.
도 16의 플롯 라인(72)은 50% 만큼 공간적으로 위상 시프트되지만 제 2 래스터가 180°트위스트후 웨이퍼에 제공된 두개의 중첩된 래스터들의 비균일성이다. 50% 래스터 시프트는 Y 방향으로 비대칭 빔 중심의 스캔 라인 궤적에 제공된다.
비교하여, 도 17의 플롯 라인(73)은 180°트위스트와 중첩된 래스터들의 균일성이고 래스트 시프트는 각각의 피치 값에 대하여 최적화된다. 도시된 바와같이 임의의 작은 피치 값들에서 얻어진 균일성은 180°트위스트없이 얻어질 수 있는 것보다 실제로 더 우수하다. 이런 개선은 직관에 반대된다. 그러나, 최적화된 피치 시프트에서 미러 이미지를 가진 비대칭 프로파일을 결합하는 것이 대칭이고 또한 본래 비대칭 프로파일보다 넓은 결합된 프로파일을 형성할 수 있는 것이 다음 실현에서 이해될 수 있다. 선택된 피치에서 스캔 라인들에 대해 달성할 수 있는 도즈 균일성은 스캔 라인 간격 방향으로 효과적인 빔 프로파일 폭과 강하게 상관된다. 그러므로, 비록 결합된 프로파일에 의해 형성된 래스터가 빔 스캔 라인들의 각각의 래스터들의 실제 피치(T)와 같은 피치(결합된 프로파일에 의해 형성된 복합 라인들의 웨이퍼상 풋프린트들 사이)를 가질지라도, 균일성은 결합된 프로파일이 대칭이고 이온 빔 프로파일의 실제 폭보다 큰 효율성을 가지기 때문에 우수할 수 있다.
상기된 래스터들의 스캔 라인들의 실시예들에서, 전체 래스터는 비록 주입될 웨이퍼가 원형일 지라도 실질적으로 사각형 윤곽일 수 있다. 만약 빔 플럭스가 흡수되지 않도록 빔이 웨이퍼를 통과하는 각각의 래스터 동안 생산성을 개선하고 시간량을 줄이는 것이 요구되면, 스캔 라인들은 빔 플럭스가 웨이퍼상에 흡수되지 않는 시간양을 최소화하기 위한 길이로 조절될 수 있다. 변형된 래스터는 도 14에 도시되고, 여기에서 웨이퍼상 빔의 상대적 이동은 라인들(60)에 의해 도시되고, 점선들(61)은 변형된 스캔 패턴의 밖에 놓이는 사각형 래스터의 부분들을 도시한다. 결과적으로, 도 14에 도시된 래스터를 생산하기 위한 시간은 감소되고 주입기의 생산성은 증가될 수 있다. 생산량은 10-20% 증가될 수 있다. 스캔 패턴은 도 14에 도시된 바와같이 완전히 원형이지 않을 수 있다. 예를들어, 만약 빔 프로파일이 비대칭으로 측정되면, 스캔 라인들은 다른 것보다 하나의 측면상에서 웨이퍼 에지를 더 넘어 연장할 수 있다. 게다가, 만약 각이 형성된 주입이 수행되면, 빔 방향에 수직인 평면에서 스캔 패턴의 윤곽 모양은 이에 따라 변형되고 타원형이 될 수 있다. 또한, 방사능 흡수량 측정 이유로 인해 전체 빔 전류가 웨이퍼 및 홀더를 바이패스하거나 주입 동안 약간의 시간 또는 시간들에서 보다 오랜 기간들 동안 빔 스톱 패러데이에 진입하도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 그러므로 적당한 스캔 패턴 윤곽은 실질적으로 원형이지만 하나의 완전한 사각형 모서리를 가질 수 있다. 이전과 같이, 편리함을 위해 도 14는 빔이 웨이퍼상에서 스캔하는 방식을 도시하는 반면, 상기 도 14는 도 1에 도시된 바와같이 기계적으로 스캔되는 장치에서, 실제로 고정 빔상에서 스캔되는 웨이퍼이다.
비록 기계적 스캐닝 시스템으로 사용될 수 있는 래스터 라인 간격이 상기된 바와같이 레시피 도즈 및 빔 전류에 의해 지시될지라도, 라인 간격 또는 피치가 간격 방향에서 목표된 도즈 균일성을 제공하기에 충분히 작은 것을 보장하는 것이 중요하다. 이런 균일성은 빔 프로파일 및 래스터 라인 피치 모양의 함수이다. 보다 작은 피치는 웨이퍼상에서 보다 균일한 도즈 분산을 유발한다. 다음은 균일성이 평행한 라인 스캐닝 패턴에 대한 스캔 피치의 함수로서 어떻게 변화하는 가의 수학적 설명이다. 퓨리에 변환은 분석이 도즈 분산시 주기적 패턴들을 포함하기 때문에 툴로서 사용된다.
상기 연구에서, 빔 전류 및 프로파일이 주입 동안 변화하지 않는 것이 가정된다. 비록 매우 작지만 시간 종속성은 처리되지 않는다. 기호들(τ, t, u, υ및 T)는 공간 변수들로서 사용되고, 이와 같이 ω 및 1/T는 공간 주파수들로서 사용된다.
평행한 라인 스캐너에서, 웨이퍼상 위치(t)에서 주입 도즈 h(t)는 주기적 δ함수를 사용하여 다음과 같이 기록된다.
1)
여기서 b(τ)는 느린 스캔 방향(도 2에서 y)의 빔 프로파일이고 δT(τ)는 주기(T)의 주기적인 δ함수이다. T는 하나의 변환 단계에 해당하거나 복합 래스터의 래스터 라인들 사이의 간격에 해당한다. 도 5는 상기 함수들을 도시하고 도 6은 래스터 스캐닝 패턴을 도시한다. 웨이퍼(17)는 일정한 거리(T)만큼 간격진 평행 라인들의 빔(19)의 전면에서 스캔된다. 간략화를 위하여, b(τ)는 범위 [0,1]내로 정의된다. 다른 말로, 단계(T)는 실제 빔 크기로 표준화된다. 방정식(1)은 하나의 완전한 느린 스캔 또는 1/T 빠른 스캔들을 가진 하나의 완전한 래스터후 위치(t)에서 축적된 도즈를 제공한다. 도즈 h(t)는 주기(T)를 가진 주기적 함수이다.
방정식 1의 퓨리에 변환들은 다음과 같이 정의된다:
주기적 δ함수의 퓨리에 변환은 주기적 δ함수이다.
2)
나선 정리 및 상기 기호들을 사용하여, 방정식 1은 다음과 같이 변환된다 :
3)
이것은 중요한 결과이다. 방정식 3은 도즈 h(t)의 퓨리에 변환이 일정한 간격 ω0 = 2π/T를 가진 일련의 임펄스들로 구성되고, ω=nω0에서 각각의 임펄스의 크기가 ω0B(nω0)와 같다는 것을 나타내고, 상기 크기는 ω=nω0에서 빔 프로파일의 스펙트랄 밀도의 ω0 배이다.
주입 변수(σ2)은 다음과 같이 정의된다.
4)
여기서 는 평균 도즈이다. 적분은 h(t)가 주기(T)의 주기적 함수이기 때문에 [0, T]의 영역에서 수행된다.
5)
만약 도즈 편차가 및 로서 기록되면, 방정식 4로부터 이다.
이것은 f(t) 전력의 정의이다. 파스발(parseval)의 이론을 사용하여 이것은 다음과 같이 표현된다:
여기서 ｜Fn｜는 퓨리에 시리즈의 n번째 항의 크기이다.
방정식 3 및 5로부터,
b(t)가 실수이기 때문에, ｜B(nω0)｜=｜B(-nω0)｜.
그러므로, 이고,
표준 편차(σ)는 다음과 같다.
6)
평균 도즈()로 표준화된 상대적 표준 편차(σr)는 다음과 같다.
7)
방정식 6 및 7은 어떻게 도즈 비균일성이 ω0에 종속하는가를 기술한다. 주파수(1/T)에서 주입된 도즈의 표준 편차는 B(nω0)의 크기들, 빔 함수의 스펙트랄 밀도에서 (ω0=2π, n = 1,2,...)로 구성된다. σ는 ω≠nω0나 ω=0에 대한 크기 B(ω)를 포함하지 않는다. 방정식 6 및 7은 무한한 계산이 수행될때만 수학적으로 정확하다. 그러나, B(ω)는 일반적으로 ω의 빠른 감소 함수이고, σ및 σr의 신뢰적인 우수한 방법은 시리즈에서 매우 낮은 고조파 항들만을 합산함으로써 얻어진다.
연속적인 주파수 도메인에서 B(ω)를 계산하는 것은 시간 소비적이다. 대신, 빠른 퓨리에 변환(FFT)을 사용하고, 이산 주파수들, ωn=2nπ(n=0,1,2,...)에 대하여 B(ω)의 값을 유도할 수 있다. 2I 데이타 포인트들로 구성된 빔 프로파일의 FFT는 ωI-1 = 2π2I-1까지만 B(ω)를 형성한다. 만약 빔 프로파일 함수가 측정되고 벡터로서 b(Δτm)에 대응하는 각각의 엘리먼트가 공지되면, 예를들어 27-1=64Hz의 주파수까지 B(ω)를 달성할 수 있다. 그 다음 방정식들 6 및 7은 각각 27-2=32Hz의 주파수 까지 신뢰적으로 정확한 σ및 σr의 값들을 제공한다. B(ω)는 퓨리에 변환의 스케일링 특성을 사용함으로서 비정수 주파수들에서 유도될수있다. α>1이 스케일링 인자이면, 함수 b(αt)의 퓨리에 함수는 일련의 주파수들, ωn=2nπ/α(n=0,1,2,...)에 대하여 B(ω)/α를 형성한다.
도 7은 도 5에 도시된 임의의 빔 프로파일 함수에 대한 주파수(1/T)의 함수로서 계산된 σr를 도시한다. FFT는 길이 27까지 b(Δτ.m)에 대하여 수행된다. 통상적인 요구는 주입후 0.5%보다 σr가 작아야 한다는 것이다.
그래프로부터, 주입 스캔 공간 주파수로서 1/T>8을 선택할 수 있다. 따라서 느린 스캔 단계 또는 표준화된 스캐닝 래스터 라인 간격(T)은 요구된 도즈 균일성 σr<0.5%에 부합하도록 간격 방향(Y)에서 빔 크기의 1/8 미만이어야 한다.
도 8에서, σr의 도면은 α의 두개의 다른 값들을 가진 B(ω)에 스케일링 특성을 적용한후를 도시한다.
도 9에서, FFT 결과는 방정식 4에 의한 정확한 계산과 비교된다. FFT는 빔 프로파일 b(t)이 단지 27=128 포인트들에서 샘플링되는 것을 제외하고 정확한 곡선과 일치한다. σr가 주파수 상승시 빠른 감소 경향외에 주기적인 패턴을 가진다는 것이 주의된다.
만약 빔 프로파일 함수가 도 10에 도시된 바와같이 가우스 함수이면, σr는 스캔 피치가 감소할때 매우 빠르게 감소한다. 이것은 가우스 함수의 퓨리에 변환이 아래와 같이 가우스 함수이기 때문이다.
8)
σ가 항 ｜B(nω0)｜2 = 1/(2α2)exp(-nω0 2/2α 2)으로 인해 0으로 빠르게 접근하는 것이 도시된다. 방정식 8에서 보다 작은 값은 σ에서 보다 넓은 프로파일 및 보다 빠른 감소를 제공한다.
도 11에 도시된 그래프는 a=5.7인 경우를 도시한다. σr는 1/T=4.3Hz에서 0.5% 이하로 떨어진다. 이것은 도 5의 임의의 빔 프로파일의 주파수의 거의 반이다.
상기를 요약하면, 빠른 퓨리에 변환 방법은 간격 방향에서 특정 빔 프로파일 함수에 대하여, 래스터 라인 피치를 가진 래스터 라인 간격 방향으로 웨이퍼를 가로질러 도즈 균일성 변화를 계산하기 위하여 사용될 수 있다. 동작시, 상기 계산들은 다른 주입기 제어 함수들에 사용된 컴퓨터 같은 컴퓨터에 의해 빠르게 수행될 수 있다. 공지된 FFT 처리기들 또는 소프웨어 애플리케이션들은 이런 목적에 사용될 수 있다. FFT 기술들 대신, 균일성 계산들은 컴퓨터 시뮬레이션의 사용과 같은 다른 방식으로 수행될 수 있다.
상기된 스캐닝 처리를 사용한 주입을 수행할때, 스캐닝의 래스터 라인 간격에 대한 값은 상기 간격 방향에서 도즈 균일성이 상기된 실시예들에서 요구된 표준 즉 <0.5%에 부합하는 것을 보장하기 위하여 간격 방향에서 빔 크기에 비해 상당히 작게 선택된다.
다수의 다른 방법들은 도즈 균일성의 상기 계산들에 사용하기 위하여 래스터 라인 간격 방향에서 이온 빔의 프로파일 함수를 결정하는데 사용될 수 있다. 예를들어, 상기된 미국특허출원 10/119,290에 기술된 장치는 사용될 수 있다. 이런 장치에서 통상적으로 1cm2의 개구부를 가진 작은 패러데이는 스캐닝 아암(21)상에 장착되어, 두개의 성분의 방향들에서 스캐닝 아암(21)을 구동하기 위하여 모터들(25 및 26)의 적당한 동작에 의해 이온 빔을 가로질러 스캐닝될 수 있다. 전체적인 2차원 맵은 양쪽 X 및 Y 방향들에서 빔 단면 프로파일로 이루어지고 Y 방향에서 효과적인 프로파일 함수는 계산될 수 있다.
Y 방향에서 측정된 프로파일 함수를 사용하여, 최대 값은 목표된 도즈 균일성을 제공할 수 있는 상기된 래스터 라인 간격 또는 피치로서 계산될 수 있다. 주입을 수행할때, 스캐닝 메카니즘은 사용된 래스터 라인 간격이 계산된 최대치를 초과하지 않는 것을 보장하도록 제어된다.
실제로, 현재 이용할 수 있는 빔으로부터 계산되었던 스캐닝을 위한 래스터 라인 간격, 주입 방법에 따른 웨이퍼의 단위 영역당 주입될 이온들의 도즈, 스캐닝 메카니즘이 빔을 가로질러 목표된 통과들의 수를 완성할 수 있는 속도(차례로 X 방향에서 최대 스캔 속도에 의존한다)를 사용하는 것이 종종 바람직하다. 따라서, 주입을 수행하기 전에, 래스터 라인 간격의 이런 목표된 값은 계산되고, 빔 단면 프로파일 및 이용할 수 있는 빔 전류를 가진다. 그 다음, 이런 목표된 라인 간격은 계산된 목표된 간격 값이 요구된 도즈 균일성을 제공하는 것을 보장하기 위하여 다른 라인 간격에 대하여 얻어진 도즈 균일성의 계산된 변화와 비교된다. 주입은 만약 계산된 간격 값이 만족스러운 균일성을 제공하면 진행된다.
만약 목표된 간격 값을 사용하여 계산된 균일성이 목표된 균일성보다 나빠지면, 빔 플럭스는 감소될 수 있다. 빔 플럭스를 감소시키는 것은 계산된 라인 간격이 감소되게 한다. 빔 플럭스는 계산된 도즈 균일성이 요구된 표준에 부합하는 레벨로 감소된다. 빔 플럭스는 소스의 아크 챔버에 대한 공급 가스의 공급 속도, 아크 공급 전력, 캐소드 전력, 추출 전압 및 이온 소스로부터 추출 전극들의 간격을 포함하는 하나 이상의 이온 소스의 동작 파라미터들을 조절함으로써 감소될 수 있다. 적당한 조절들은 당업자에 의해 공지될 것이다. 선택적으로, 빔 플럭스는 빔 경로를 따라 선택된 위치에서 빔 구멍을 변경함으로써 조절되어, 구멍을 통한 빔 통과 전류를 감소시킨다.
선택적으로, 또는 마찬가지로, 계산된 균일성은 빔 프로파일을 변형함으로서 개선될 수 있다. 상기된 바와같이, 만약 빔 프로파일이 가우스 형상과 유사하면, 빔의 혼합 특성은 실질적으로 개선되어, 우수한 도즈 균일성은 보다 큰 래스터 라인 간격을 달성할 수 있다. 이런 분야에서 당업자에 의해 잘 이해되는 바와 같이 빔의 리턴은 빔 프로파일을 개선할 수 있다. 리턴은 챔버를 처리하기 위하여 이온 소스로부터 통과할때 빔의 클립핑(clipping)을 최소화하여, 빔 프로파일에서 바람직하지 않은 비대칭성 또는 피크들을 제거한다. 빔은 예를들어 추출된 빔이 주입기의 빔 라인을 따르는 최적 비행 경로를 따라 중심에 지향되는 것을 보장하도록 소스의 아크 챔버에 관련하여 이온 소스 추출 전극들의 측면 위치를 조절함으로써 리턴될 수 있다. 빔 프로파일은 Y 방향으로 빔의 목표된 스프레딩을 형성하기 위하여 빔 라인에 4극의 단일 자석을 도입함으로써 변형될 수 있다.
이런 과정에서, 빔 프로파일은 다시 측정되고 목표된 라인 간격을 사용한 최종 균일성은 요구된 균일성 사양에 부합하는 측면에서 재계산된다.
상기된 본 발명의 실시예들에서, 스캐닝 메카니즘은 연속적인 빠른 스캔들 사이의 균일한 계단 이동인 계단식 느린 스캔을 제공하여, 웨이퍼상 평행한 스캔 라인들을 형성하도록 제어된다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 연속적인 느린 스캔 작동은 도 12에 도시된 바와같이 웨이퍼상 지그재그형 스캔 패턴을 형성하도록 동시에 빠른 스캔들과 함께 사용될 수 있다. 허용 가능한 느린 스캔 방향(40)에서의 도즈 균일성은 예를들어 연속적인 스캔들의 중간 포인트들(41, 42)이 느린 스캔 방향에서 균일하게 간격지면 얻어질 수 있다. 그러나 도즈 균일성은 연속적인 라인 쌍들 사이의 간격이 크게 다른 중앙 라인(44)의 어느 한쪽 측면에서 웨이퍼(43)의 에지들쪽으로 크게 타협된다는 것이 도시된다. 그럼에도 불구하고, 만약 피치(라인 중앙 포인트들 사이)가 느린 스캔 방향에서 빔 크기와 비교하여 충분히 작으면, 전체 웨이퍼상에서 적당한 균일성은 달성될 수 있다. 목표된 균일성을 제공하기 위하여 충분히 작은 라인 중간 포인트 간격을 달성하기 위해 빠른 스캔 반복 속도에 비해 느린 스캔 속도를 제어하는 것은 여전히 중요하다. 느린 스캔 방향에서 도즈 균일성은 균일성이 지그재그 스캔 패턴에 의해 타협되는 웨이퍼의 에지 근처 위치들에서 계산될 수 있다. 이들 계산들은 평행한 라인 스캐닝에 대하여 상기된 것과 유사한 퓨리에 변환 기술들을 사용하여 수행될 수 있다. 선택적으로, 컴퓨터 시뮬레이션 기술들은 사용될 수 있다.
느린 스캔 방향으로 우수한 전체 균일성을 보장하기 위하여, 최소 피치 크기(라인 중간 포인트들 사이)는 빔 프로파일 모양의 지식으로부터의 계산에 의해 결정된다. 그 다음 웨이퍼의 추후 스캐닝은 이런 계산된 매체보다 크지 않은 피치 크기를 유지하여야 한다.
평행한 라인 스캐닝으로, 웨이퍼상에 요구된 레시피 도즈를 초과하지 않고 요구된 최소 피치 크기를 달성하기 위하여 빔 전류를 감소시키거나 빔 프로파일을 개선할 필요가 있다.
통과 동안 빔 전류의 임의의 변화를 보상하기 위하여, 이 변화는 연속적인 빠른 스캔들 및 따라서 제어된 추후 빠른 스캔들의 속도 사이의 전환 포인트들에서 측정된다. 빠른 스캔들의 반복 속도는 바람직하게 일정하게 유지되어, 빠른 스캔 속도의 변화들은 스캔 라인 중간 포인트들 사이의 피치에 영향을 미치지 않는다. 이것은 예를들어 감소된 빠른 스캔 속도 다음 증가된 빠른 스캔 시간을 보상하기 위하여 각각의 빠른 스캔 전환시 이용할 수 있는 몇몇 휴지 시간을 요구할 수 있다.
상기된 실시예들에서, 개시된 기계적 시스템은 상기된 미국특허출원번호 10/119,290에 기술된 구조를 바탕으로 한다. 기계적 스캐닝 장치의 임의의 다른 형태는 목표된 똑같이 간격지고 평행한 래스터 라인들을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 예를들어, 2002년 6월 21일 출원된 영국출원 0214384.0에 개시된 관절이 있는 아암 스캐닝 메카니즘이 사용될 수 있다.
또한, 평행한 래스터 라인들을 형성하는 기판 홀더의 스캔들은 정밀하게 선형화될 필요가 없지만 예를들어 동심원의 아크들로서 형성될 수 있다.
많은 다른 장치들은 다음 청구항들에 제공된 본 발명의 필수적인 특징을 제공하기 위하여 사용될 수 있다.
본 발명은 결합된 인터리빙 스캔들의 효율적인 라인 피치가 감소되기 때문에 기판에 전달된 도즈의 상기 제 1 방향에서 우수한 균일성이 보장되고, 동시에, 주입 세그먼트들 사이에서 방향을 반전시킴으로서 빔의 이온들의 주입 각도들의 분배에서 임의의 비균일성이 안정되며, 추가로, 기판의 열적 로딩이 감소될 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 실시예를 도시하는 이온 주입기의 개략도.
도 2는 목표된 래스터를 생성하기 위하여 도 1의 주입기에 의해 수행되는 기계적 스캐닝 패턴의 개략도.
도 3은 수행될 수 있는 다른 스캐닝 패턴을 도시한 도.
도 4는 다른 스캐닝 패턴을 도시한 도.
도 5는 하나의 크기에서 임의의 이온 빔 세기 프로파일 함수를 도시한 그래프.
도 6은 기판상에서 스캐닝 래스터를 나타내고, 임의의 빔 모양을 도시한 주입될 반도체 웨이퍼를 도시한 도.
도 7은 빠른 퓨리에 변환(FFT)에 의해 계산된 기판 웨이퍼상 스캐닝 래스터 라인들의 공간 주파수에 대한 도즈 균일성의 그래프.
도 8은 퓨리에 변환의 스케일 특성을 사용함으로써 도시된 부가적인 포인트들을 나타내는 공간 주파수에 대한 도즈 균일성의 유사한 그래프.
도 9는 보다 정밀하게 계산된 래스터 라인들의 공간 주파수에 대한 도즈 균일성의 다른 그래프.
도 10은 가우스 함수 형태로 이상적인 빔 프로파일을 나타낸 그래프.
도 11은 도 10의 가우스 프로파일을 위한 스캐닝 래스터 라인들의 공간 주파수에 대한 계산된 도즈 균일성의 그래프.
도 12는 다른 스캐닝 패턴을 도시한 도.
도 13a 내지 13d는 본 발명을 도시하는 4개의 주입에 대한 인터리빙된 스캐닝 래스터들을 도시한 도.
도 14는 생산성을 개선하기 위한 프로파일된 래스터를 도시한 도.
도 15는 이온 빔의 단면 이온 전류 프로파일의 그래픽.
도 16은 스캔 라인들의 피치에 대한 스캔 라인들의 인터리빙된 래스터들의 주입 균일성 그래프.
도 17은 인터리빙된 래스터들 사이에서 시프트를 최적화할때의 장점을 도시하는 도 16과 유사한 그래픽.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
16 : 웨이퍼 스캐닝 장치 17 : 웨이퍼
18 : 웨이퍼 홀더 21 : 스캐닝 아암
22 : 진공 밀봉부 23 : 슬라이드 플레이트
24 : 회전 캐리어 플레이트 25, 26 : 구동 모터

Claims (14)

  1. 기판에 주입하는 방법으로서,
    a) 소정 빔 방향을 가진 주입 빔을 생성하는 단계;
    b) 기판의 평면에 횡방향의 축을 중심으로 주입 빔에 관련하여 제 1 방향으로 기판을 지향시키는 단계;
    c) 상기 제 1 방향에서, (ⅰ) 기판상에서 빔의 적어도 한번의 통과를 형성하도록 빔 방향에 횡방향인 제 1 방향에 평행하고 (ⅱ) 각각의 상기 통과 동안 기판상에서 빔의 다수의 스캔들을 형성하도록 빔 방향 및 상기 제 1 방향에 횡방향인 제 2 방향 모두에서 평행한 기판 및 빔 사이의 상대적 이동을 형성하는 단계 - 상기 스캔들은 상기 제 1 방향에서 소정 간격을 가진 중앙 포인트들을 가진 제 1 래스터 라인들을 상기 기판상에 그림 -;
    d) 상기 제 1 방향에 대한 상기 축을 중심으로 180°로 상기 제 2 방향으로 기판을 지향시키는 단계; 및
    e) 상기 제 2 방향에서, 상기 제 1 래스터 라인들과 인터리빙된 제 2 래스터 라인들을 기판상에 그리도록 기판 및 빔 사이의 제 2 상대적 이동을 형성하는 단계를 포함하는 주입 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 방향에 대한 상기 축을 중심으로 90°로 제 3 방향으로 기판을 지향시키는 단계;
    상기 제 3 방향에서, 상기 제 1 및 제 2 래스터들의 라인들에 대해 90°로 제 3 래스터 라인들을 그리도록 상기 제 3 상대적 이동을 형성하는 단계;
    상기 제 3 방향에 대한 상기 축을 중심으로 180°로 제 4 방향으로 기판을 지향시키는 단계; 및
    상기 제 4 방향에서, 상기 제 3 래스터의 라인들과 인터리빙된 제 4 래스터 라인들을 그리도록 제 4 상기 상대적 이동을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주입 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 축은 빔 방향과 평행한 것을 특징으로 하는 주입 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 스캔들은 기판상에서 비교차 균일 간격 평행한 래스터 라인들을 그리는 것을 특징으로 하는 주입 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 방향에서 기판 및 빔 사이의 상기 상대적 이동은 상기 제 2 방향에 평행한 기판을 기계적으로 왕복운동시킴으로써 형성되고, 상기 제 1 방향에서 상대적 이동은 스캔들 사이에서 균일 간격으로 상기 제 1 방향에 평행하게 상기 기판을 기계적으로 병진운동시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 주입 방법.
  6. 상기 기판은 각각의 스캔 사이에서 상기 균일한 거리로 계단적으로 병진운동되는 것을 특징으로 하는 주입 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 주입 빔은 상기 제 1 방향에서 비대칭의 세기 프로파일을 가지며, 상기 제 1 및 제 2 래스터들은 공통 라인 피치로 그려지고, 상기 제 2 상대적 이동은 50% 다른 제 1 래스터에 관련한 공간 위상 시프트를 가지도록 상기 제 2 래스터를 그리고, 여기서 100% 위상 시프트는 상기 공통 라인 피치와 같은 것을 특징으로 하는 주입 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 공간 위상 시프트는 상기 제 1 방향에서 도즈 균일성을 개선하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 주입 방법.
  9. 목표된 원자 종들을 포함하는 소정 빔 플럭스를 가진 주입 빔을 형성하는 이온 빔 생성기를 포함하는 이온 주입기로서,
    주입될 기판을 홀딩하기 위한 기판 홀더 - 상기 홀더는 상기 홀더상 기판 웨이퍼의 평면에 횡방향의 트위스트 축을 중심으로 회전하도록 장착됨 -;
    주입 빔에 관련하여 선택된 방향으로 상기 트위스트 축을 중심으로 상기 홀더를 회전시키기 위한 트위스트 드라이브;
    (ⅰ) 기판상에서 빔의 적어도 한번의 통과를 실행하기 위해 빔 방향에 횡방향의 제 1 방향과 평행하고 (ⅱ) 각각의 상기 통과 동안 기판상에서 빔의 다수의 스캔들을 형성하기 위하여 상기 빔 방향 및 상기 제 1 방향에 횡방향인 제 2 방향에 평행하게 홀더상 기판 웨이퍼 및 빔 사이에서 상대적 이동을 달성하도록 동작하는 스캐닝 장치 - 이에 따라 상기 스캔들은 상기 제 1 방향에서 균일하게 이격된 중간 포인트들을 가진 래스터 라인들을 기판상에 그림 -; 및
    a) 상기 축을 중심으로 주입 빔에 관련하여 제 1 방향으로 홀더상 기판을 지향시키고,
    b) 상기 제 1 방향에서, 상기 제 1 래스터 라인들을 기판상에 그리도록 기판 및 빔 사이의 제 1 상대적 이동을 형성하고,
    c) 상기 제 1 방향에 대한 상기 축을 중심으로 180°로 상기 제 2 방향으로 홀더상 기판을 지향시키고, 및
    d) 상기 제 2 방향에서, 상기 제 1 래스터의 라인들과 인터리빙된 제 2 래스터 라인들을 기판상에 그리도록 기판 및 빔 사이에서 제 2 상대적 이동을 형성하기 위하여, 주입 동안 상기 트위스트 드라이브 및 상기 스캐닝 장치를 제어하도록 배열된 제어기를 포함하는 이온 주입기.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제어기는,
    상기 제 1 방향에 대한 상기 축을 중심으로 90°로 제 3 상기 방향으로 홀더상 기판을 지향시키고,
    상기 제 3 방향에서, 상기 제 1 및 제 2 래스터 라인들에 대해 90°로 제 3 상기 제 3 래스터 라인들을 그리도록 제 3 상기 상대적 이동을 형성하고,
    상기 제 3 방향에 대한 상기 축을 중심으로 180°로 제 4 방향으로 기판을 지향시키고, 및
    상기 제 4 방향에서, 상기 제 3 래스터의 라인들과 인터리빙된 제 4 상기 래스터 라인들을 그리도록 제 4 상기 상대적 이동을 형성하도록 추가로 배열되는 것을 특징으로 하는 이온 주입기.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 트위스트 축은 상기 홀더상 기판 웨이퍼의 평면에 수직이고, 상기 홀더는 상기 평면에 평행한 경사진 축을 중심으로 회전하기 위하여 추가로 장착되고, 상기 주입기는 주입 빔에 관련하여 선택된 경사진 각도로 상기 축을 중심으로 상기 홀더를 회전시키기 위한 경사 드라이브를 포함하고, 상기 제어기는 상기 기판 및 빔 사이의 상기 제 1 상대적 이동 동안 제 1 경사 각도로 상기 홀더를 지향시키고, 상기 기판 및 빔 사이의 상기 제 2 상대적 이동 동안 상기 제 1 경사 각도와 같고 반대의 제 2 경사 각도로 상기 홀더를 지향시키기 위하여 상기 경사 드라이브를 제어하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 이온 주입기.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 스캐닝 장치는 스캔들이 기판상에서 비교차 균일 간격 평행한 래스터 라인들을 그리도록 동작하는 것을 특징으로 하는 이온 주입기.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 스캐닝 장치는 상기 제 2 방향에서 기판 및 빔 사이의 상대적 이동이 상기 제 2 방향에 평행한 기판 홀더를 기계적으로 왕복운동시킴으로써 형성되도록 동작하고, 상기 제 1 방향의 상기 상대적 이동은 스캔들 사이의 균일한 거리 만큼 상기 제 1 방향에 평행한 상기 기판을 기계적으로 병진운동시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 이온 주입기.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 스캐닝 장치는 각각의 스캔 사이의 상기 균일한 거리만큼 상기 기판 홀더를 병진 운동시키도록 동작하는 것을 특징으로 하는 이온 주입기.
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