KR20060090672A - 질량 분리를 갖는 이온 빔 슬릿 추출 - Google Patents

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KR20060090672A
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빅터 벤베니스테
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액셀리스 테크놀로지스, 인크.
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Abstract

본 발명은 리본형 이온 빔 내의 다수의 종으로부터 희망하는 종을 선택하는 한 쌍의 영구 자석으로 이루어진 질량 분석기를 사용한다. 이러한 영구 자석은 희망하는 방향으로 특정 힘을 인가하는 전자석에 의해서는 달성할 수 없는 적은 영역에서의 적절한 매그니튜드의 실질적으로 균일한 자기 필드를 제공한다. 상기 힘은 리본 이온 빔의 통과하는 입자에 인가되어, 입자의 경로가 자신의 각각의 질량에 따라 변경되도록 한다. 결과적으로, 선택된 종은 거절된 종 및/또는 오염물이 (분석기에 존재하는 자석 자체 또는 다른 베리어와 충돌함으로써) 질량 분석기를 통과하지 못하도록 하는 힘에 의해 빔으로부터 획득된다. 질량 분석기의 결과로서, 다수의 종을 발생시키는 도펀트/종 소스가 단일 도펀트/종만을 제공하는 소스 대신에 사용될 수 있다.
리본형 이온 빔, 질량 분석기, 영구 자석, 도펀트, 자기 필드.

Description

질량 분리를 갖는 이온 빔 슬릿 추출{ION BEAM SLIT EXTRACTION WITH MASS SEPARATION}
본 발명은 일반적으로 주입 장치에 관한 것이며, 특히 질량 분리를 포함하는 리본 이온 빔 시스템에 관한 것이다.
이온 주입은 화학적인 공정인 확산에 반대되는 바와 같은 물리적인 공정이며, 이 공정은 반도체 및/또는 웨이퍼 재료 내로 도펀트를 선택적으로 주입하기 위하여 반도체 장치 제조에서 사용된다. 그러므로, 주입 선량의 동작은 도펀트 및 반도체 재료 사이의 화학적인 상호작용에 의존하지 않는다. 이온 주입의 경우, 도펀트 원자/분자는 이온화되고 격리되며, 종종 가속되거나 감속되며, 빔 내로 형성되고, 웨이퍼에 걸쳐 스윕(sweep)된다. 도펀트 이온은 물리적으로 웨이퍼에 충돌하고, 표면에 들어가고 표면 아래에 존재하게 된다.
이온 주입 시스템은 도펀트 이온에 대한 특정 동작을 각각 수행하는 복잡한 서브시스템의 집합체이다. 기체 또는 고체 형태의 도펀트 원소들은 이온화 챔버 내측에 위치되어 적절한 이온화 공정에 의해 이온화된다. 하나의 예시적인 공정에서, 챔버는 저압(진공)으로 유지된다. 필라멘트는 챔버 내에 위치되고 필라멘트 소스로부터 전자가 발생되는 지점까지 가열된다. 음으로 하전된 전하가 또한 챔버 내의 반대로 하전된 애노드로 끌어 당겨진다. 필라멘트로부터 애노드로의 이동 동안, 전자는 도펀트 소스 원소(예를 들어, 분자 도는 전자)와 충돌하여 분자 내의 요소로부터 다수의 양으로 하전된 이온을 발생한다.
일반적으로, 희망하는 도펀트 이온 이외에, 다른 양의 이온이 발생된다. 희망하는 도펀트 이온은 분석, 질량 분석, 선택, 또는 이온 분리라 칭하는 공정에 의해 이온들로부터 선택된다. 선택은 이온화 챔버로부터의 이온이 이동하는 자기 필드를 발생시키는 질량 분석기를 사용하여 성취된다. 이온은 비교적 고속으로 이온화 챔버를 떠나고 자기 필드에 의해 아크 내로 구부러진다. 아크의 반경은 개별적인 이온의 질량, 속도, 및 자기 필드의 강도에 의해 표시된다. 분석기의 출구는 전형적으로 이온들 중 주로 하나의 종, 즉 희망하는 도펀트 이온이 질량 분석기에서 나가도록 한다.
선형 가속기라 칭하는 가속 시스템은 일부 경우에, 희망하는 도펀트 이온을 미리규정된 모멘텀(예를 들어, 자신의 속도만큼 승산된 도펀트 이온의 질량)으로 가속하거나 감속하여, 웨이퍼 표면을 통과하도록 하는데 사용될 수 있다. 가속을 위하여, 상기 시스템은 일반적으로 환형의 전력 공급 전극 및 자신의 축을 따른 4극 렌즈 쌍을 갖는 선형 디자인으로 이루어진다. 4극 렌즈는 음 및 양의 전위에 의해 전력을 공급받는다. 도펀트 이온은 내부에 들어갈 때, 전력 공급 전극에 의해 가속되며 (빔으로서) 4극 렌즈에 의해 선택적으로 포커싱된다. 계속해서, 도펀트 이온은 종단 스테이션에서 목표 웨이퍼로 지향된다.
이온 주입 시스템은 일반적으로 두 개의 카테고리, 연필형 및 리본 빔형 시 스템 중 하나로 분류될 수 있다. 연필형 이온 주입 시스템은 연필-형 이온 빔을 사용하며, 여기서 비교적 좁은 빔이 이온 소스에 의해 발생되어 질량 분석, 다음의 빔 조정, 및 워크피스에 도달하기 전의 스캐닝을 겪게 된다. 그러나, 많은 현재의 애플리케이션은 예를 들어, 반도체 제조시에 얕은 소스/드레인 영역에서 비교적 높은 도펀트 농도에 의한 얕은 주입을 달성하고자 한다. 얕은 깊이 이온 주입을 위하여, 고전류, 저 에너지 이온 빔이 바람직하다. 이 경우에, 이온의 감소된 에너지는 동일한 전하를 지니는 이온의 상호 반발로 인하여, 이온 빔의 수렴을 유지하는데 어떤 어려움들을 초래한다. 고전류 이온 빔은 전형적으로 상호 반발로 인하여 발산하는 경향이 있는 고농도의 유사하게 하전된 이온을 포함한다. 상기 문제에 대한 하나의 해결책은 연필-형 빔 대신에 리본-형 이온 빔을 사용하는 것이다. 리본-형 빔의 하나의 장점은 빔의 단면적이 연필-형 빔보다 실질적으로 크다는 것이다. 예를 들어, 전형적인 연필 빔은 대략 1-5cm의 직경을 가지며, 여기서 리본-형 빔은 대략 1-5의 높이 및 대략 40cm의 폭을 갖는다. 실질적으로 큰 빔 에어리어에 의하여, 소정의 빔 전류는 실질적으로 적은 전류 밀도를 가지며, 빔은 더 낮은 퍼이비언스(perveance)를 갖는다. 그러나, 리본-형 빔을 사용하는 것은 이와 관련된 다수의 특정한 문제를 갖는다.
리본 빔형 시스템은 슬릿 빔을 발생시키는 이온 소스를 사용한다. 슬릿 빔의 종래의 질량 분리는 슬릿의 길이가 증가함에 따라 점점 문제가 된다. 슬릿(또는 리본)의 방향을 따라 지향된 자기 필드는 자석 편들 사이의 큰 자기 갭을 브리징한다. (갭의 사각형에 대한) 이와 같은 자기 필드를 발생시키는데 필요로 되는 전력 은 일반적으로 상당하다. 결과적으로, 적은 리본 빔형 시스템은 중지하고 이온 소스에 의해 발생된 모든 종을 주입한다. 결과적으로, 이온 소스는 특정 종에 전용되며, 희망하지 않은 도펀트의 발생을 완화하기 위하여 제한된 공급 재료로 제한된 조건 하에서 동작한다. 그래도, 이상적인 공정보다 적은 공정으로 인해 결과적인 주입을 오염시키는 희망하지 않는 도펀트가 발생될 수 있다.
상술된 바와 같은 질량 분석기에서 전형적으로 전자석이 사용된다. 그러나, 리본 빔형 시스템에서 질량 분석을 위해 전자석을 사용하는 것은 상당한 비용, 부피, 및 복잡성이 필요로 한다. 결과적으로, 리본형 이온 주입 시스템에서 질량 분리를 위해 전자석을 사용하는 것은 종종 가능하지 않다.
다음에는 본 발명의 하나 이상의 양상의 기본적인 이해를 제공하기 위하여 간소화된 요약이 제공된다. 이러한 요약은 본 발명의 광범위한 개요가 아니고, 본 발명의 핵심 또는 중요 요소를 식별하고자 하는 것도 아니며, 본 발명의 범위를 서술하고자 하는 것도 아니다. 오히려, 요약의 주요 목적은 이후에 제공되는 보다 상세한 설명에 대한 서문으로서 간소화된 형태로 본 발명의 일부 개념을 제공하는 것이다.
본 발명은 리본 빔 이온 주입 시스템 및 이의 동작을 용이하게 한다. 본 발명은 한 상의 영구 자석으로 이루어진 질량 분석기를 사용한다. 이러한 자석은 이온과 같은 이동하는 하전된 입자에 희망하는 방향으로 특정한 힘을 인가하는 실질적으로 균일한 자기 필드를 제공한다. 상기 힘은 리본 이온 빔의 통과 입자에 인가되어 입자의 경로가 자신의 각각의 질량 및 에너지에 따라 변경되도록 한다. 결과적으로, 선택된 이온 유형이 희망하지 않는 전하-대-질량비의 거절된 이온 및/또는 (자석 자체 및/또는 분석기 내에 존재하는 다른 베리어와 충돌함으로써) 질량 분석기를 통과하지 못한 오염물을 발생시키는 힘에 의해 빔으로부터 획득될 수 있다. 게다가, 추출 전극 전위를 변화시킴으로써, 질량 분석기에 들어가는 이온의 에너지가 변화될 수 있고, 이로써 영구 자석이 상이한 도펀트 종에 사용될 수 있다. 질량 분석기의 결과로서, 다수의 종(예를 들어, 붕소, 인, 비소 등)을 발생시키는 이온 소스가 단일 도펀트/종만을 제공하는 소스 대신 사용될 수 있다.
상술된 목적 및 관련 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이하에 충분히 설명되고 특히 청구항에서 지적된 특징을 포함한다. 다음의 설명 및 첨부된 도면은 본 발명의 일부 예시적인 양상 및 구현예를 상세히 서술한다. 그러나, 이들은 본 발명의 원리가 사용될 수 있는 다양한 방식들 중 몇 가지를 나타낸다. 본 발명의 다른 목적, 장점 및 새로운 특징은 도면을 참조하여 고려할 때, 본 발명의 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도1은 본 발명의 양상에 따른 예시적인 이온 주입 시스템을 도시한 블록도.
도2는 본 발명의 양상에 따른 예시적인 이온 소스를 도시한 사시도.
도3은 이온 빔에 대한 자기 필드의 영향을 도시한 도면.
도4는 본 발명의 양상에 질량 분석 시스템에 의한 리본 빔 추출을 도시한 도면.
도5는 본 발명의 양상에 따른 질량 분석기를 도시한 도면.
도6은 본 발명의 양상에 따른 질량 분석기를 도시한 다른 도면.
도7은 본 발명의 양상에 따른 리본형 이온 빔을 발생시키는 방법을 도시한 흐름도.
도8은 본 발명의 양상에 따른 특정한 주입을 위한 리본형 이온 빔 시스템을 구성하는 방법을 도시한 흐름도.
본 발명은 이제 전체에 걸쳐 동일한 요소에는 동일한 참조번호가 병기되어 있는 첨부 도면을 참조하여 설명될 것이다. 본 발명이 이하에 설명되고 서술된 예시적인 구현예 및 양상에 국한되지 않는다는 것을 당업자들은 인식할 것이다.
본 발명은 리본형 이온 빔 내의 다수의 종(예를 들어, 소정의 에너지를 위한 희망하는 전하-대-질량비를 갖는 이온)으로부터 희망하는 이온 종을 선택하는 한 쌍의 영구 자석으로 이루어진 질량 분석기를 사용한다. 영구 자석은 특정 힘을 희망하는 방향으로 이온 빔 상에 인가하는 실질적으로 균일한 자기 필드를 제공한다. 리본 이온 빔의 통과 입자에 대한 상기 힘은 입자의 경로가 자신의 각각의 질량에 따라 변경되도록 한다. 결과적으로, 선택된 전하-대-질량비를 갖는 이온이 거절된 종/이온 및/또는 (자석 자체 및/또는 분석기 내에 존재하는 다른 베리어와 충돌함으로써) 질량 분석기를 통과하지 못한 오염물을 발생시키는 힘에 의해 빔으로부터 획득될 수 있다. 질량 분석의 결과로서, 다수의 종(예를 들어, 붕소, 인, 비소)을 발생시키는 이온 소스가 단일 도펀트/종만을 제공하는 소스 대신 사용될 수 있다.
대조적으로, 질량 분석기를 사용하지 않는 종래의 리본 빔 시스템은 장치 성능을 저하시키고(종종 이온 소스가 특정 종으로 전용되는 것을 필요로 하고) 기판의 과도한 과열에 기여하여, 궁극적으로 주입기의 생산성 및 처리량을 제한하는 희망하지 않는 도핑을 겪게 된다. 부가적으로, 종래의 전자석에 기초한 질량 분석기가 본 발명의 질량 분석기가 제공하는 것과 같이 적은 공간 내에 실질적으로 균일한 자기 필드를 제공하기가 어렵고, 또한 그와 같이 행하기 위해서는 상당한 양의 전력을 필요로 한다.
우선 도1을 참조하면, 본 발명의 양상에 따른 예시적인 이온 주입 시스템(10)이 블록도 형태도 도시되어 있다. 시스템(10)은 빔 경로를 따라 이온 빔(14)을 발생시키는 이온 소스(12)를 포함한다. 이온 빔 소스(12)는 예를 들어, 관련 전원(18)을 갖는 플라즈마 소스(16)를 포함한다. 이온 빔 소스(12)는 리본 빔형 시스템에 대한 다른 종래의 이온 빔 소스에서와 같이 특정 종에 전용될 필요가 없다. 그러므로, 이온 빔 소스(12)는 다수의 선택 가능한 종(예를 들어, 붕소, 인, 비소 등)을 제공/발생할 수 있다. 플라즈마 소스(16)는 예를 들어, 이온 빔이 추출되는 플라즈마 제한 챔버를 포함할 수 있다. 추출된 빔은 예를 들어, 300mm 반도체 웨이퍼의 주입을 위한 대략 400mm의 폭을 갖는 리본형 이온 빔을 포함한다.
이온 소스로부터 리본 빔(14)을 수신하기 위하여 이온 소스(12)의 아래에 빔라인 어셈블리(11)가 제공된다. 빔라인 어셈블리(11)는 질량 분석기(22)를 포함하며, 감속 시스템(26) 및 편향기 시스템(28)을 포함할 수 있다. 빔라인 어셈블리(11)는 빔(14)을 수신하기 위하여 경로를 따라 위치된다. 질량 분석기(22)는 각각 의 이온의 전하-대-질량비에 따라 가변 궤도에서 이온 빔(14)으로부터 이온을 편향시키기 위하여 빔 경로에 걸쳐 균일한 자기 필드를 발생시키는 한 쌍의 영구 자석을 포함한다. 자기 필드를 통해 이동하는 이온은 희망하는 질량의 개별적인 이온을 빔 경로를 따라 지향시키며 희망하지 않는 질량의 이온을 빔 경로로부터 떨어지도록 편향시키는 힘을 받게 된다.
빔라인(11)은 리본 빔과 관련된 에너지를 변경하도록 선택적으로 동작 가능하고 제어 가능한 감속/가속 모듈(26)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 매체 에너지에서, 리본 빔 에너지의 실질적인 변화가 필요로 되지 않을 수 있고, 상기 모듈은 리본 빔이 실질적인 변화 없이 이것을 통과하도록 한다. 대안으로, (반도체 몸체 내에 얕은 접합의 형성을 위한) 저 에너지 애플리케이션에서, 리본 빔의 에너지는 감속될 필요가 있을 수 있다. 이와 같은 상황에서, 감속 모듈(26)은 빔의 에너지를 감속에 의해 희망하는 에너지 레벨로 감소시키도록 동작 가능하다.
빔라인은 예를 들어, 워크피스 내로 주입하기 이전에 감속을 사용하는 저 에너지 시스템에서 사용하기 위한 편향 시스템(28)을 더 포함할 수 있다. 편향 시스템(28)은 예를 들어, 이온 빔을 빔라인 축으로부터 떨어지도록 편향시킴으로써, (편향 필드 앞에서 편향되지 못하는 것으로 인하여) 그렇게 하지 않았다면, 에너지 오염물의 역할을 할 수 있는 중성 입자를 리본 빔으로부터 제거하는 편향 전극을 포함한다.
질량 분석된, 실질적으로 오염해제된 이온 빔(14)을 빔 라인 어셈블리(11)로부터 수신하기 위하여 말단 스테이션(30)이 또한 시스템(10) 내에 제공된다. 말단 스테이션(30)은 리본 이온 빔(14)을 사용하여 주입하기 위하여 빔 경로(편향키(28))로 인한 원래 빔라인 축으로부터의 오프셋)를 따라 반도체 웨이퍼와 같은 하나 이상의 워크피스(도시되지 않음)를 지지한다. 이와 같은 말단 스테이션이 다수의 워크피스가 리본 빔을 지나서 회전하는 일군의 시스템, 또는 단일 워크피스가 리본 빔을 지나서 스캐닝되거나, 리본 빔이 워크피스에 걸쳐 스캐닝되는 단일 워크피스 말단 스테이션의 사용을 각각 고려한다는 것을 주의하라.
이제 도2를 참조하면, 본 발명에 따라 사용될 수 있는 예시적인 이온 소스(200)가 간소화된 형태로 도시되어 있다. 전원 및 제어 시스템과 같은 일부 세목들이 명확화 및 간소화를 위하여 도시되지 않았다는 것이 인식된다. 부가적으로, 이온 빔(들)을 발생시키는 다른 적절한 이온 소스가 본 발명에 따라 사용될 수 있다는 것이 또한 인식된다. 소스(200)는 어스펙트비가 큰 길이(282) 및 폭(284)을 갖는 긴 리본-형 빔(280)을 제공한다. 본 예의 빔(280)은 제어 장치의 자석 부분(50a, 50b)에 의하여 8 부분 또는 슬라이스로 분할됨으로써, 빔(280)의 밀도 프로파일은 특정 애플리케이션에 맞춰질 수 있다. 하나의 실시예에서, 빔 길이(282)는 평판 디스플레이의 300mm 웨이퍼 목표의 단일-스캔 주입을 용이하게 하기 위하여 대략 400mm이다. 그러나, 임의의 적절한 희망하는 빔 길이(282)가 발생될 수 있다. 더구나, 소스 하우징(204)의 출구 개구, 및 추출 전극(226)의 슬릿(230)의 적절한 사이징(sizing)에 의하여 임의의 적절한 희망하는 폭(284)이 또한 달성될 수 있다. 더구나, 추출 전극(226)이 다섯 개가 아닌 이와 같은 전극(226)을 갖는 적절한 방식으로 구현될 수 있고, 도시된 전극은 반드시 크기대로 도시된 것이 아니라는 것 이 주의된다.
아래에 보다 상세히 논의되는 바와 같이, 추출 전극은 사용되는 희망하는 도펀트 종에 기초하여 상이한 전위에서 바이어스되도록 하기 위하여 제어 회로와 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 주입을 위해 p-형 도펀트가 필요로 되는 경우, 붕소 함유 소스 가스가 사용될 수 있고, 추출 전극은 추출된 붕소 이온의 에너지가 이의 적절한 질량 분석을 위한 미리규정된 레벨에 있도록 제어 회로에 의해 이에 인가되는 미리규정된 전위 세트로 구성된다. 마찬가지로, 주입을 위해 n-형 도펀트가 필요로 되는 경우, 비소-함유 소스 가스가 사용될 수 있다. 이와 같은 경우에, 제어 회로는 결과적인 추출된 빔 에너지가 이의 적절한 질량 분석을 위한 상이한 미리규정된 레벨에 있도록 추출 전극을 상이한 전압으로 구성한다. 더 인식되는 바와 같이, 질량 분석기가 영구 자석을 사용하기 때문에, 내부의 자기 필드 강도는 실질적으로 일정하고, 상이한 유형의 도펀트에 대한 질량 분석 시스템의 튜닝(tuning)은 추출 전극을 통하여 질량 분석기에 들어가는 빔 에너지를 변화시킴으로써 수행된다.
일반적으로, 이온 소스(200)는 소스 챔버(204)와 동축의 도전성 요소(206)를 포함한다. 요소(206)에 제공된 RF 에너지는 내부에서 하전된 입자에 전력을 제공하는 전기 필드를 발생한다. 가속되는 하전된 입자는 챔버 내로 도입된 소스 가스 원자와 충돌하여, 이 원자가 이온화되어 플라즈마가 내부에 형성되도록 한다. 그 다음에, 이온은 추출 전극(226)을 통하여 챔버(204)로부터 추출된다.
도3은 소정의 속도로 이동하는 하전된 이온/도펀트의 빔에 대한 자기 필드의 영향을 도시한 도면이다. 일반적으로, 자기 필드는 로렌츠 힘 등식:F=q(v×B)에 따라서 빔 내의 이온을 편향시키는 역할을 하며, 여기서 자기 필드 벡터(B)로 표현된 바와 같이 지향된 자기 필드 앞에서 속도 벡터(v)로 나타낸 방향으로 속도를 가지고 이동하는 전하는 힘 벡터(F)로 나타낸 방향을 갖는 값이다. 특히, 도3에 도시된 바와 같이, 빔 내의 이온(320)은 양으로 하전되고, 방향으로 속도(V)로 이동하고 있고, 자기 필드가 이동 방향에 수직인 X 방향으로 지향되는 경우, 힘은 이온에 대해서 음의 Y 방향으로, 즉, 이 예에서 도시된 바와 같이 아래로 가해진다.
본 발명의 질량 분석기에 대한 자기 필드가 빔 내의 이온을 편향시키는 역할을 하기 때문에, 리본 또는 리본-형 빔을 사용할 때, 자기 필드가 빔에 걸쳐, 그리고, 특히 빔의 전체 폭에 걸쳐 가능한 한 균일한 것이 바람직하다. 리본 빔이 300mm 반도체 웨이퍼에 걸쳐 스캐닝되는 하나의 예시적인 애플리케이션에서, 리본 빔은 300mm 폭보다 크므로, 자기 필드는 리본 빔의 에지에서 왜곡을 최소화하기 위하여 리본 빔보다 실질적으로 큰 거리에 걸쳐 균일한 것이 바람직하다. 일반적으로, 이와 같은 자석에 의해 필요로 되는 비용, 복잡성, 부피, 전력 등으로 인하여 이와 같은 거리에 걸쳐 적절하게 균일한 자기 필드를 발생시키는 전자석을 사용하는 것은 어렵다. 따라서, 본 발명은 적절하게 균일한 자기 필드를 발생시키기 위하여 영구 자석을 사용한다.
이제 도4를 참조하면, 질량 분석 시스템(400)에 의한 리본 빔 추출을 도시한 도면이 본 발명의 양상에 따라 도시되어 있다. 시스템(400)은 빔 경로 내에서 적절하게 균일한 자기 필드를 제공하는 영구 자석을 사용하며, 이것은 이온 빔으로부터 소정 에너지에 대한 미리규정된 전하-대-질량비를 갖는 희망하는 이온을 선택한다.
이온 소스(도시되지 않음)는 예를 들어, 플라즈마 소스 및 전원을 사용함으로써 다수의 종에 대한 이온을 발생한다. 상기 종은 예를 들어, 양의 붕소 이온(B+) 및 양의 불소 이온(F+), 양의 인 이온(P+) 및 양의 수소 이온(H+) 등을 포함할 수 있다. 이온 소스는 비산염(As5), 3불화붕소(BF3), 5불화인(PF5), 다이보란(B2H6), 포스핀(PH3), 및 아르신(AsH3) 등을 포함하지만 이에 국한되지 않는 선택된 종을 발생할 수 있는 임의의 적절한 입력 가스를 포함한다. 수소 함유 가스가 본 발명의 질량 분석기를 필요로 하기 때문에, 종래의 리본형 이온 주입이 일반적으로 다이보란(B2H6), 포스핀(PH3), 및 아르신(AsH3)과 같은 수소 함유 가스에 국한된다는 것이 주의된다. 소스 가스 및 전원의 선택은 적어도 부분적으로 이온 소스에 의해 발생된 종을 결정한다. 3극관 추출 시스템(401)은 이온 소스로부터 선택된 종을 추출하여 이를 이온 빔(410)으로서 질량 분석기 쪽으로 가속한다. 이온 빔(410)은 비교적 큰 폭을 갖는 리본형 빔이다. 이온 빔(410)에 대한 예시적인 폭은 (단일 통로에서 웨이퍼를 커버할 만큼 충분한) 대략 400mm이다. 추출된 이온의 에너지는 구현예에 의해 변화될 수 있지만, 일반적으로 비교적 낮다(예를 들어, 500 keV). 본 발명이 다른 이온/도펀트 및/또는 다른 에너지 값을 포함한다는 것이 인식된다.
그 다음에, 질량 분석기(412)는 이온 빔(410)에 대해 동작하여, 이온 빔(410) 내의 희망하는/선택된 종(408)을 유지하면서 거절된 종(406)을 제거한다. 부가적으로, 질량 분석기는 빔으로부터 수소와 같은 다른 희망하지 않는 오염물을 제 거할 수 있다. 이와 같은 오염물을 제거하면 실질적인 또는 상당한 전력이 절약될 수 있다. 예를 들어, 종래의 리본 빔형 이온 시스템은 수소를 함유한 90퍼센트 만큼의 이온 빔을 포함함으로써, 상당한 전력을 낭비할 수 있다. 희망하지 않는 도펀트/종이라는 용어가 본원에 사용된다는 점에서, 이와 같은 용어가 소정 에너지에 대한 희망하지 않는 전하-대-질량비를 갖는 하나의 종의 이온, 또는 최초 소스 가스에서 사용된 수소 또는 다른 원소와 같은 희망하지 않는 종의 이온을 포함하도록 의도된다는 것을 주의하라. 게다가, 희망하는 종이 본원에서 희망하는 전하-대-질량 비를 갖는 이온을 칭하는 것일지라도, 이와 같은 비는 소정의 이온 에너지를 나타낸다는 것이 이해되어야 한다. 즉, 질량 분석기(412)는 미리규정된 질량 에너지 곱을 갖는 자신을 통과하는 이온을 선택한다.
질량 분석기(412)는 서로 대향하여, 빔(410)의 예상된 경로를 따라 배치되는 제1 영구 자석(402) 및 제2 영구 자석을 포함한다. 자석(402 및 403)은 빔(410)으로부터 거절된 종(406) 및 오염물을 선택적으로 제거하는 희망하는, 실질적으로 균일한 자기 필드(414)를 이온 빔(410)의 광범위한 부분에 걸쳐 제공하기 위하여 이온 빔(410)의 짧은 디멘전(dimension)에 대해 지향된다. 이온 빔(410)이 통과하는 자기 필드의 길이(405)는 비교적 짧고(예를 들어, 대략 5 cm), 또한 드리프트 영역이라고 칭한다. 자기 필드의 매그니튜드는 영구 자석(402 및 403)의 크기와 성분의 함수이다. 전자석과 반대되는 바와 같이, 영구 자석은 일반적으로 실질적으로 균일한 자기 필드를 제공한다. 부가적으로, 자기 필드(414)의 방향 및 방위는 자석(402 및 403)의 위치 및 방위의 함수이다. 여기서, 자기 필드(414)는 페이지 내로 들어 가는 것과 같이 도시되어 있다. 자석(402 및 403)은 직사각형 형상으로 도시되어 있지만, 곡선의 이온 빔 경로를 제공하기 위하여 곡선일 수 있고 종종 곡선이다.
전자석에 기초한 질량 분석기와 달리, 영구 자석에 의해 발생된 자기 필드는 변경될 수 없다. 추출 제어 시스템(416)은 3극관 추출 시스템(401)을 제어하며, 이온이 이온 소스로부터 나와서 질량 분석기(412)에 들어가는 에너지와 속도를 조정함으로써 상이한 이온 선택을 허용한다. 제어 시스템(416)은 이온에 대한 적절한 에너지를 달성하기 위하여 3극관 추출 시스템(401) 내의 전극을 조정(예를 들어, 하나 이상의 이와 관련된 전극에 인가된 전압을 변경)하는데 사용될 수 있다.
질량 분석기(412)에 의해 처리 이후에, 이온 빔(410)은 사후-가속 전극(post-acceleration electrode)(404)을 통해 이동한다. 전극(404)은 이온 빔(410) 내의 남아 있는 이온/도펀트를 희망하는/선택된 에너지 레벨로 가속하거나 감속한다. 개개의 전극은 선택된 전압을 바이어스하여, 전기 필드가 이온 빔 경로에 걸쳐 접선 방향으로 인가된다. 필드의 극성 뿐만 아니라, 이온 빔 내의 이온의 극성은 가속이 수행될지 또는 감속이 수행될지 여부를 결정한다. 그 후에, 이온 빔(410)은 말단 스테이션에서의 하나 이상의 웨이퍼로 지향되거나 편향됨으로써, 희망하는 종(408) 및 에너지로 이온 주입을 수행한다. 이온의 에너지는 주입에 의해 변화할 수 있지만, 붕소에 대한 전형적인 에너지 값은 대략 1 내지 10 keV이고 비소에 대한 전형적인 에너지 값은 대략 1.5 keV이다.
질량 분석기가 하나 이상의 종을 선택하고 이온 빔으로부터 희망하지 않는 종 및 오염물을 제거하기 위하여 영구 자석을 사용하는 한, 요소의 적절한 변화가 본 발명에 따라 고려될 수 있다는 것이 인식된다. 예를 들어, 3극관 추출 시스템(401)은 이온 소스의 부분으로서 구성될 수 있다. 다른 예로서, 질량 분석기(412)는 3극관 추출 시스템(401)과 통합될 수 있다.
도5를 참조하면, 도4로부터의 질량 분석기(412)의 도면이 본 발명의 양상에 따라 제공된다. 이러한 도면은 제1 영구 자석(402) 및 제2 영구 자석(403) 사이를 이동하는 이온 빔(410)을 도시한다. 이온 빔(410) 내의 입자는 속도(v)로 나타낸 방향으로(페이지의 밖으로) 이동하고 있다. 영구 자석(402 및 403)은 나타낸 방향(오른쪽)으로 실질적으로 균일한 자기 필드(B)를 제공하기 위하여 자신의 극과 함께 배열된다. 상술된 바와 같이, 자기 필드는 로렌츠 힘 등식:F=q(v×B)에 따라서 빔 내의 이온을 편향시키는 역할을 하며, 여기서 자기 필드 벡터(B)로 표현된 바와 같이 지향된 자기 필드 앞에서 속도 벡터(v)로 나타낸 방향으로 속도를 가지고 이동하는 전하는 힘 벡터(F)로 나타낸 방향을 갖는 값이다. 결과적으로 그리고 입자(도펀트/이온)이 양으로 하전된다고 가정하면, 입자에 대해 힘(F)은 나타낸 바와 같이, 아래 방향으로 가해진다. 힘(F)의 매그니튜드는 자기 필드(B)의 강도에 따른다.
도6은 이온 빔(410)이 본 발명의 양상에 따라 이동하는 곡선의 경로를 도시한 질량 분석기(412)의 다른 도면이다. 여기서, 자석(402 및 403)은 약간의 만곡(curvature)으로 도시되어 있다. 이러한 만곡은 이온 빔이 자기 필드(B)를 통해 이동하고 힘(F)을 받게 될 때, 이온 빔(410)의 벤딩(bending)을 보상하기 위하여 제공된다. 선택된/희망하는 질량(또는 질량-에너지 곱)을 갖는 이온/입자는 자석 중 하나와 충돌하지 않고 질량 분석기(412)를 통해 이동한다. 선택된 종보다 더 큰 질량(또는 질량-에너지 곱)을 갖는 입자/이온은 제1 영구 자석(402)에 충돌하게 되는 반면, 선택된 종보다 적은 질량(또는 질량-에너지 곱)을 갖는 입자는 제2 영구 자석(403)과 충돌하게 됨으로써, 희망하지 않는 종 및/또는 오염물을 제거한다.
상술되고 후술되는 구조적이고 기능적인 특성과 관련하여, 본 발명의 다양한 양상에 따른 방법이 도1-6을 참조하여 더 양호하게 인식될 것이다. 설명의 간소화를 위하여, 도7-8의 방법이 연속적으로 수행되는 것으로 도시되고 설명되지만, 본 발명에 따른 일부 양상이 상이한 순서로 행해지고/행해지거나, 본원에 도시되고 설명된 것과 다른 양상과 함께 행해질 수 있기 때문에, 본 발명이 도시된 순서에 국한되지 않는다는 것이 이해되어야 하고 인식되어야 한다. 더구나, 모든 도시되지 않은 특징들이 본 발명의 양상에 따른 방법을 구현하기 위하여 필요로 될 수 있다.
도7은 본 발명의 양상에 따른 리본형 이온 빔을 발생시키는 방법(700)을 도시한 흐름도이다. 상기 방법(700)은 리본형 이온 빔을 발생시키기 위하여 소정의 에너지에 대한 미리규정된 전하-대-질량비의 이온을 선택하도록 동작 가능하다.
상기 방법(700)은 블록(702)에서 시작되는데, 여기서 다수의 종으로 이루어진 이온 빔이 선택된 입력 소스 가스 및 전원으로부터 발생된다. 이온 소스는 다수의 종 및/또는 오염물을 포함한다. 블록(704)에서, 리본 이온 빔이 이온 소스로부터 발생되고/추출된다. 3극관 추출 시스템과 같은 추출 시스템이 사용되어, 이온을 추출하고 리본 형상(예를 들어, 여기서 넓은 디멘전이 짧은 디멘전보다 실질적으로 더 길다)을 갖는 이온 빔을 형성한다. 부가적으로, 이온 빔은 내부의 입자가 서로 거의 평행하도록 형성된다.
블록(706)에서 영구 자석에 기초한 질량 분석기를 통하여 선택된/희망하는 종을 남겨두고 거절된 종 및/또는 오염물이 제거된다. 물리적으로, 질량 분석기는 추출 시스템의 부분일 수 있다. 질량 분석기는 서로 대향하여 배치되고 리본 이온 빔의 경로에 걸쳐 선택된 매그니튜드 및 방향의 실질적으로 균일한 자기 필드를 제공하도록 구성되는 한 쌍의 영구 자석을 포함한다. 이온 빔 내의 입자가 자석들 사이를 통과하여 자기 필드를 통과할 때, 자기 필드는 입자에 인가되는 힘을 발생시킨다. (선택된 종의 그 범위와 정합하는) 소정 에너지에 대해 질량-대-전하비의 선택된 범위 밖에 있는 입자는 이온 빔 경로로부터 발산하게 되어, 자석 또는 다른 베리어 중 하나와 충돌한다. 결과적으로, 선택된 범위 내의 질량을 갖는 선택된 종이 실질적으로 이온 빔 경로를 따라 그리고 질량 분석기를 통하여 이동한다.
블록(708)에서, 이온 빔은 가속 시스템을 통하여 희망하는 또는 선택된 에너지로 가속되거나 감속된다. 상기 시스템은 이온 빔 내의 입자를 가속하거나 감속하는 전기 필드를 발생시키기 위하여 선택된 전압으로 바이어스되는 다수의 전극을 포함한다. 계속해서 블록(710)에서, 이온 빔은 말단 스테이션에서의 목표 웨이퍼로 편향된다. 상술된 바와 같은 편향 시스템은 전형적으로 이온 빔을 적절하게 지향시키는데 사용된다. 그 다음에, 하나 이상의 웨이퍼 상에 이온 주입을 수행하기 위하여 이온 빔이 사용될 수 있다. 전형적으로, 발생된 이온 빔은 단일 경로에서 희망하는 주입을 수행하도록 하는 폭 및 어스펙트비를 갖는다. 예를 들어, 이온 빔의 폭은 300mm 직경의 웨이퍼에 대하여 300mm보다 클 수 있다.
도8은 본 발명의 양상에 따른 특정 주입을 위한 리본 이온 빔 주입 시스템을 구성하는 방법(800)이다. 상기 방법(800)은 본 발명의 영구 자석에 기초한 질량 분석기가 이와 같은 질량 분석기를 사용하지 않는 유사한 종래의 시스템이 허용하는 것보다 더 많은 소스 재료의 선택을 허용한다는 것을 설명하는 역할을 한다.
상기 방법(800)은 블록(802)에서 시작되는데, 여기서 이온 주입을 위한 종/도펀트, 에너지 및 주입 각도가 선택된다. 부가적으로, 발생될 리본 빔에 대한 선택된 폭 및 어스펙트비가 또한 선택되거나 결정된다. 블록(804)에서 적어도 선택된 도펀트 뿐만 아니라, 하나 이상의 다른 종을 제공하는 입력 가스가 선택된다. 805에서, 이온 소스와 관련된 추출 전극이 희망하는 종/도펀트에 기초하여 구성된다. 예를 들어, 희망하는 도펀트가 붕소와 같은 p-형 도펀트인 경우, 상기 정보는 추출된 이온이 질량 분석기 내로의 입력을 위한 미리규정된 에너지를 갖도록 추출 전극을 미리 규정된 전위 세트로 바이어스하는데 사용된다.
블록(806)에서, 상술된 바와 같은 영구 자석을 사용하는 질량 분석기는 선택된 자기 필드를 발생시키므로, 선택된 양의 힘이 자신을 통과하는 이온 빔에 걸쳐 인가되도록 구성된다. 부가적으로, 질량 분석기는 선택된 도펀트/종이 질량 분석기를 통과할 수 있도록 회전되고/되거나 위치변경될 수 있다. 질량 분석기가 실질적으로 고정된 자기 필드를 가지기 때문에, 들어오는 이온의 에너지는 시스템을 튜닝하도록 지시하는데, 그 이유는 시스템의 질량-에너지 곱이 일정하기 때문이다. 다음으로, 블록(808)에서 가속 시스템의 전극은 주입을 위한 희망하는 에너지를 획득하기 위하여 이온 빔 내의 입자에 대한 가속 또는 감속의 적절한 양을 제공하도록 하는 전압으로 바이어스된다. 최종적으로, 블록(810)에서 이온 주입은 실질적으로 선택된 에너지, 주입 각도 및 선택된 도펀트로 수행된다.
영구 자석이 갭 내에 일정하고, 균일한 자기 필드를 발생시키므로, 전자석 유형의 질량 분석기와 달리, 상이한 종 또는 이온을 선택하도록 분석기를 튜닝하는 것이 자기 필드 강도의 변경에 의해서 달성되지 않는다는 것이 주의된다. 그 대신에, 시스템에 대한 질량-에너지 곱이 일정하기 때문에, 희망하는 질량의 이온을 얻기 위하여, 이온이 이온 소스로부터 추출되는 에너지는 질량 분석 시스템의 튜닝을 실행하도록 변화된다.
본 발명이 하나 이상의 구현예와 관련하여 도시되고 설명되었을지라도, 본 명세서와 첨부 도면을 판독하여 이해시, 당업자에 의해 등가의 변경 및 변형이 행해질 것이다. 특히, 상술된 요소(어셈블리, 장치, 회로, 시스템, 등)에 의해 수행된 다양한 기능과 관련하여, 이와 같은 요소를 설명하는데 사용된 ("수단"에 대한 참조를 포함한) 용어는 만약 다르게 표시되지 않은 경우, 본 발명의 본원에 서술된 예시적인 구현예에서의 기능을 수행하는 개시된 구조와 구조적으로 등가가 아닐지라도, 설명된 요소의 특정 기능을 수행하는(예를 들어, 기능적으로 등가인) 임의의 요소에 대응하도록 의도된다. 게다가, 본 발명의 특정한 특성이 여러 구현예 중 단지 하나와 관련하여 설명될 수 있지만, 이와 같은 특성은 임의의 소정 또는 특정 애플리케이션에 바람직하고 유용한 경우, 다른 구현예의 하나 이상의 특성과 결합될 수 있다. 더구나, "포함하는", "포함하다", "갖는", "갖는다", "가진"이라는 용어 및 이들의 변형이 상세한 설명 및 청구범위 중 하나에서 사용되는 한, 이와 같 은 용어는 "포함하는"이라는 용어와 유사한 방식으로 포함되도록 의도된다.

Claims (26)

  1. 리본 빔 이온 주입 시스템으로서:
    소스 재료로부터 다수의 이온 종을 발생시키도록 동작 가능한 이온 소스;
    상기 이온 소스로부터 이온 종을 추출하고 리본-형 이온 빔을 발생시키도록 구성된 추출 시스템; 및
    상기 리본-형 이온 빔 내에 최초에 존재하는 다수의 종으로부터 종을 선택하기 위하여 상기 리본-형 이온 빔의 빔 경로에 걸쳐 실질적으로 균일한 자기 필드를 발생시키는 제1 영구 자석 및 제2 영구 자석으로 이루어진 질량 분석기를 포함하는 리본 빔 이온 주입 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 질량 분석기 이후의 이온 빔에 대해 동작하며, 상기 이온 빔을 미리규정된 주입 에너지 레벨로 가속하거나 감속하는 빔 경로를 따라 정렬된 가속 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리본 빔 이온 주입 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 추출 시스템은 수렴 빔을 발생시키도록 동작하는 3극관 추출 시스템인 것을 특징으로 하는 리본 빔 이온 주입 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 추출 시스템에 의해 추출된 이온 빔은 비교적 저 에너지인 것을 특징으로 하는 리본 빔 이온 주입 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 비교적 저 에너지는 대략 500 eV인 것을 특징으로 하는 리본 빔 이온 주입 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 질량 분석기에 의해 발생된 자기 필드는 대략 5cm의 길이를 가지며, 상기 자기 필드를 통해 이온 빔이 이동하는 것을 특징으로 하는 리본 빔 이온 주입 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기 필드는 리본-형 이온 빔의 짧은 디멘전을 따라 방향이 맞춰지는 것을 특징으로 하는 리본 빔 이온 주입 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기 필드는 고속으로 쇠퇴하는 프린지에 의해 비교적 높은 것을 특징으로 하는 리본 빔 이온 주입 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 종은 B+, F+, BF1+ 및 BF2+를 포함하며, 선택된 종은 B+ 또는 BF2+인 것을 특징으로 하는 리본 빔 이온 주입 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 종은 P+ 및 H+를 포함하며, 선택된 종은 P+인 것을 특징으로 하는 리본 빔 이온 주입 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 소스 재료는 3불화 붕소(BF3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 리본 빔 이온 주입 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 소스 재료는 5불화 인(BF5)을 포함하는 것을 특징으로 하는 리본 빔 이온 주입 시스템.
  13. 제 13 항에 있어서,
    상기 소스 재료는 비산염(As5)을 포함하는 것을 특징으로 하는 리본 빔 이온 주입 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 이온 빔은 대략 300mm의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 리본 빔 이온 주입 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    웨이퍼를 갖는 말단 스테이션을 더 포함하며, 상기 이온 빔은 단일 경로 내의 웨이퍼 상에 선택된 종을 주입하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 리본 빔 이온 주입 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 추출 시스템은 희망하는 이온 종을 나타내는 하나 이상의 입력을 수신하고, 상기 하나 이상의 입력을 토대로 상기 추출 시스템과 관련된 전극에 미리규정된 전압 세트를 출력하도록 동작 가능한 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 리본 빔 이온 주입 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 미리규정된 전압 세트는 상기 질량 분석기로 들어가는 상기 리본-형 이온 빔의 추출 에너지를 나타내는 것을 특징으로 하는 리본 빔 이온 주입 시스템.
  18. 리본-형 이온 빔으로부터 종을 선택하고 제거하는 질량 분석기 시스템으로서:
    리본 빔 경로 위에 위치된 제1 영구 자석;
    상기 리본 빔 경로 아래에 위치된 제2 영구 자석으로서, 상기 제1 영구 자석 및 제2 영구 자석은 자신의 짧은 디멘전에 걸쳐 통과하는 리본-형 이온 빔을 편향시키도록 방향이 맞춰지는, 상기 제2 영구 자석; 및
    다수의 상이한 에너지로 이온 소스로부터 리본-형 이온 빔을 추출하도록 동작 가능한 리본-형 이온 소스와 관련된 추출 시스템을 포함하며,
    상기 추출된 리본-형 이온 빔의 에너지는 희망하는 도펀트 종의 함수인 질량 분석기 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제1 영구 자석 및 제2 영구 자석은 리본 빔 경로와 정합하도록 약간의 만곡을 갖는 것을 특징으로 하는 질량 분석기 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 추출 시스템은 희망하는 이온 종을 나타내는 하나 이상의 입력을 수신하고, 상기 하나 이상의 입력을 토대로 상기 추출 시스템과 관련된 추출 전극에 미리규정된 전압 세트를 출력하도록 동작 가능한 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 질량 분석기 시스템.
  21. 리본형 이온 빔을 발생시키는 방법으로서:
    이온 소스로부터 다수의 이온 종을 발생시키는 단계;
    짧은 디멘전 및 넓은 디멘전을 갖는 리본-형 이온 빔을 형성하기 위하여 다수의 이온 종을 추출하는 단계로서, 상기 넓은 디멘전이 상기 짧은 디멘전보다 실질적으로 더 큰, 이온 종 추출 단계; 및
    영구 자석에 기초한 질량 분석기를 통하여 이온 빔의 다수의 종들 중 종을 선택하고 다른 종을 거절하는 단계를 포함하는 리본형 이온 빔 발생 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 종을 선택한 이후에, 상기 이온 빔을 희망하는 에너지 레벨로 가속/감속하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리본형 이온 빔 발생 방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 이온 빔을 말단 스테이션에서의 목표 웨이퍼로 지향시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리본형 이온 빔 발생 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    단일 경로 내의 이온 빔으로 상기 목표 웨이퍼 상에 이온 주입을 수행하는 단계를 더 포함하며, 상기 목표 웨이퍼는 대략 300mm의 직경을 가지며, 상기 이온 빔의 넓은 디멘전은 대략 300mm보다 큰 것을 특징으로 하는 리본형 이온 빔 발생 방법.
  25. 제 21 항에 있어서,
    상기 종은 자신의 짧은 디멘전에 걸쳐 상기 이온 빔을 편향시키는 영구 자석을 통하여 자기 필드를 인가함으로써 선택되는 것을 특징으로 하는 리본형 이온 빔 발생 방법.
  26. 제 21 항에 있어서,
    상기 다수의 이온 종을 추출하는 단계는:
    선택된 종을 식별하는 단계; 및
    추출된 리본-형 이온 빔이 식별되는 선택된 종의 함수인 에너지를 갖도록 미리 규정된 전압 세트로 추출 전극을 구성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리본형 이온 빔 발생 방법.
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