KR20100015890A - 가스 혼합으로 이온 소스의 성능을 향상시키고 수명을 연장시키는 기술 - Google Patents

가스 혼합으로 이온 소스의 성능을 향상시키고 수명을 연장시키는 기술 Download PDF

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Abstract

가스 혼합으로 이온 소스(202a)의 성능을 향상시키고 수명을 연장시키는 기술이 개시된다. 하나의 모범 실시예에서, 이 기술은 이온 주입기 내의 이온 소스의 성능을 향상시키고 수명을 연장시키는 방법으로서 실현될 수 있다. 이 방법은 미리 정한 양의 도펀트 가스를 이온 소스 챔버(202)로 도입하는 것을 포함할 수 있다. 도펀트 가스는 도펀트 종을 포함한다. 이 방법은 또한 미리 정한 양의 희석 가스를 이온 소스 챔버로 도입하는 것을 포함할 수 있다. 희석 가스는 이온 소스의 성능을 향상시키고 수명을 연장시키도록 도펀트 가스를 희석시킬 수 있다. 이 희석 가스는 도펀트 종과 동일한 동반종을 더 포함할 수 있다.

Description

가스 혼합으로 이온 소스의 성능을 향상시키고 수명을 연장시키는 기술{TECHNIQUES FOR IMPROVING THE PERFORMANCE AND EXTENDING THE LIFETIME OF AN ION SOURCE WITH GAS MIXING}
본 발명은 일반적으로 반도체 제조 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 가스 혼합으로 이온 소스의 성능을 향상시키고 수명을 연장시키는 기술에 관한 것이다.
이온 주입은 가압된 이온들과 기판의 직접 충돌에 의해 기판 내로 화학종들(chemical species)을 퇴적시키는 공정이다. 반도체 제조에서는, 이온 주입기들은 주로 표적물 재료의 도전형 및 도전성 레벨을 변경시키는 도핑 공정에 사용된다. 집적회로(integrated circuit, IC) 기판 및 그 박막 구조 내의 정밀한 도핑 프로파일은 양호한 IC 성능에 매우 중요하다. 원하는 도핑 프로파일을 달성하기 위하여, 하나 이상의 이온종들이 상이한 도즈 및 상이한 에너지 레벨로 주입될 수 있다.
도 1은 종래의 이온 주입기 시스템(100)을 도시한다. 상기 이온 주입기 시스템(100)은 이온 소스(102) 및 이온 빔(10)이 통과하는 일련의 복합 부품들을 포함할 수 있다. 상기 일련의 부품들은, 예를 들어, 인출 조종기(extraction manipulator, 104), 필터 마그넷(106), 가속 또는 감속 칼럼(108), 분석기 마그 넷(110), 회전하는 매스 슬릿(rotating mass slit, 112), 스캐너(114) 및 보정기 마그넷(116)을 포함할 수 있다. 광 빔을 조작하는 일련의 광학 렌즈와 상당히 유사하게, 이온 주입기 부품들은 엔드 스테이션(120) 쪽으로 조종하기 이전에 이온 빔(10)을 여과하고 촛점을 맞출 수 있다.
상기 엔드 스테이션(120)은 원하는 종의 이온들이 작업 대상물(122) 내로 주입되도록 이온 빔(10)의 경로에 작업 대상물(122)과 같은 하나 이상의 작업 대상물들을 지지한다. 상기 작업 대상물(122)은 예를 들어, 반도체 웨이퍼 또는 이온 주입이 필요한 다른 유사한 표적 대상물일 수 있다. 엔드 스테이션(120)은 상기 작업 대상물(122)을 지지하기 위하여 플래튼(124)을 또한 포함할 수 있다. 상기 플래튼(124)은 정전기력 또는 다른 유사한 힘을 사용하여 상기 작업 대상물(122)을 고정시킬 수 있다. 상기 엔드 스테이션(120)은 또한 상기 작업 대상물(122)을 원하는 방향으로 이동시키는 기계적 작업대상물 스캐너(도시생략)를 포함할 수 있다. 상기 엔드 스테이션(120)은 또한 작업 대상물(122)을 이온 주입기 시스템(100) 내로 도입하고 이온 주입 후에 상기 작업 대상물(122)을 제거하기 위한 자동화 작업 대상물 핸들링 요소와 같은 추가적 요소들을 포함할 수 있다. 상기 이온 주입기 시스템(100)은 또한 이온 주입기 시스템(100)의 다양한 하부시스템 및 부품들을 제어하기 위한 제어기(도시 생략)를 포함할 수 있다. 상기 이온 주입기 시스템(100)은 또한 도즈(dose) 제어 패러데이 컵(118), 이동하는 패러데이 컵(128) 및 셋업 페러데이 컵(126)과 같은 다수의 측정 장치를 포함할 수 있다. 이러한 장치들은 이온 빔 조건을 감시하고 제어하는데 사용될 수 있다. 이온빔(10)이 지나가는 전체 경로가 이온 주입 과정 동안 배기된다는 것은 관련 분야의 기술자들이 알고 있어야 한다.
상기 이온 소스(102)는 이온 주입기 시스템(100)의 매우 중요한 부품이다. 상기 이온 소스(102)는 다양한 상이한 이온 종들 및 인출 전압들에 대해 안정적이고 잘 정의된 이온 빔(10)을 발생시킬 것이 요구된다. 따라서 유지 또는 수선의 필요 없이 연장된 기간 동안 이온 소스(102)를 작동하는 것이 바람직하다. 따라서, 이온 소스(102)의 수명 또는 평균무고장 시간(mean time between failures, MTBF)이 이온 소스(102)의 하나의 성능 기준이고 이온 주입기 시스템(100)의 성능의 중요한 측정 기준 (metric)이다.
도 2는 이온 주입기 시스템(100)에서 이온 소스(102)의 전형적 실시예를 나타낸다. 상기 이온 소스(102)는 전형적으로 고전류 이온 주입 장비에서 사용되는 유도 가열 음극(inductively heated cathode, IHC) 이온 소스일 수 있다. 다른 다양한 이온 소스가 또한 사용될 수 있다. 상기 이온 소스(102)는 아크 챔버(206)를 정의하는 아크 챔버 하우징(202)을 포함한다. 상기 아크 챔버 하우징(202)은 또한 이온 빔(10)에 대한 인출구(extraction aperture, 204)를 포함한다. 음극(208) 및 반발 전극(210)(또는 대음극)이 상기 아크 챔버(206) 내에 위치할 수 있다. 반발 전극(212)은 전기적으로 절연될 수 있다. 음극 절연체(212)는 상기 아크 챔버(202)로부터 음극(208)을 전기적 및 열적으로 절연하도록 음극(208)에 대해 상대적으로 위치할 수 있다. 상기 음극(208)은 또한 열 전도를 조절하기 위하여 진공 갭에 의해 절연체(212)로부터 분리될 수 있다. 필라멘트(214)는 음극(208)을 가열하기 위하여 아크 챔버(206) 외부 및 음극(208)에 아주 근접하여 위치될 수 있다. 지지 로 드(216)가 상기 음극(208) 및 상기 필라멘트(214)를 지지할 수 있다. 상기 음극(208)은 상기 필라멘트(214)로부터 상기 음극(208)으로 방출되는 전자를 가속시키기 위하여 필라멘트(214)에 대해 상대적으로 양으로 바이어스 (positively biased)될 수 있다. 하나 이상의 소스 마그넷들(220)이 또한 음극(208) 쪽 방향(도 2의 화살표(222) 참조)으로 아크 챔버(206) 내부에 자기장 B를 형성하기 위하여 제공될 수 있다.
접지 전극(240) 및 억제 전극(242)과 같은 인출 전극 배열이 인출구(204) 앞에 위치할 수 있다. 접지 전극(240) 및 억제 전극(242) 각각은 상기 이온 주입기 시스템(100)에서 사용하기 위해 상기 아크 챔버(206)로부터 잘 정의된 이온빔(10)을 인출하기 위한 인출구(204)에 정렬된 구멍(aperture)을 갖는다.
인출 전원(248)은 상기 아크 챔버(206)로부터 이온빔(10)을 인출하기 위해 상기 아크 챔버(206) 및 상기 접지 전극(240) 사이에 인출 전압을 제공할 수 있다. 인출 전압은 이온빔(10)의 원하는 에너지에 따라 조정될 수 있다. 억제 전원(246)은 이온빔(10) 내의 전자들의 손실을 (상기 이온 소스(102)로의 역류를) 방지하기 기 위해 접지전극(140)에 대하여 억제 전극(242)을 음으로 바이어스 (negatively bias)할 수 있다. 필라멘트 전원 또는 아크 전원과 같은 하나 이상의 추가적 전원이 이온 주입기 시스템(100)에 또한 제공될 수 있다. 필라멘트 전원(도시 생략)은 그것을 가열하기 위하여 필라멘트(214)에 전류를 공급할 수 있는데, 그것은 이번에는 음극(208)을 가열하기 위하여 음극(208) 쪽으로 가속되는 전자를 발생시킨다. 아크 전원(도시 생략)은 아크 챔버(206) 내에 형성된 플라즈마(20) 쪽으로 음 극(208)으로부터의 전자의 배출을 촉진하기 위해 상기 아크 챔버 하우징(202)과 결합될 수 있다. 이 전력은 상기 아크 챔버(202)에 대한 음전위로 음극(208)을 바이어스할 수 있다.
이온 소스 제어기(250)는 이온 소스(102)를 제어한다. 예를 들어, 이온 소스 제어기(250)는 이온 소스의 다양한 전원을 제어할 수 있고/있거나 또한 도펀트 가스 소스(260)로부터 아크 챔버(206)로의 도펀트 가스 유량을 제어할 수 있다. 이온 소스 제어기(250)는 프로그램된 제어기 또는 전용의 특수 목적 제어기일 수 있다. 일 실시예에서는, 이온 소스 제어기(250)가 이온 주입기 시스템(100)의 주 제어 컴퓨터에 병합된다.
도펀트 가스 소스(260)는 가스 흐름 제어기(266)를 통하여 아크 챔버(206)로 미리 결정된 양의 도펀트 가스를 주입할 수 있다. 도펀트 가스 소스(260)는 원하는 도펀트 요소를 포함하는 특정 도펀트 가스를 제공할 수 있다. 예를 들어, 도펀트 요소는 붕소(B), 게르마늄(Ge), 인(P), 비소(As) 또는 실리콘(Si)을 포함할 수 있고 삼불화 붕소(BF3), 4불화 게르마늄(GeF4), 삼불화 인(PF3) 또는 4불화 실리콘(SiF4)과 같은 불소 함유 가스로서 제공될 수 있다. 다른 다양한 도펀트 가스 및/또는 도펀트 요소들이 이용될 수 있는데, 예를 들어 아르곤(Ar), 크세논(Xe) 등을 포함하는 비활성 가스들이 있다.
이온 소스 고장의 흔한 원인은 이온 주입기 시스템(100)의 연장된 사용 동안 어떤 물질들이 음극 표면에 축적되는 것이다. 축적된 물질들은 음극표면으로부터의 소스 이온의 열이온 방출율을 감소시키는 경향이 있다. 결과적으로, 원하는 빔 전류가 얻어질 수 없고 이온 소스(102)는 이온 주입기 시스템(100)의 정상적인 작동을 유지하기 위하여 대체되어야 할 수 있다. 또한, 퇴적물이 전도성이면, 그들은 음극(208) 및 소스 챔버(206) 사이에 쇼트(short)를 야기할 수 있으며, 이로써 상기 소스(208)에서 플라즈마가 생성되지 않을 수 있고 소스는 대체 또는 재건이 필요하다. 또한, 음극(208), 반발 전극(210) 또는 인출 전극(240) 조건에서의 이 변화는 상기 소스(102)로부터 이온의 불안정한 출력을 야기할 수 있는데, 이는 아주 바람직하지 않다. 이것은 빔 전류 표류 (beam current drifts) 및 특정 경우들에서 매우 빈번한 글리치(glitches)를 야기할 수 있는데, 이 둘 모두 이온 소스의 성능에 대한 중요한 측정 기준일 수 있다. 그 결과, 이온 소스(102)의 성능 저하 및 짧은 수명은 이온 주입기 시스템(100)의 생산성을 크게 감소시킨다.
상술한 문제들은, 제한되는 것은 아니나, 게르마늄 이온 주입에서 특히 심각하다. 게르마늄 이온 주입은 반도체 업계에서 채널링 효과를 방지하기 위하여 실리콘 웨이퍼를 선비정질화(pre-amorphize)하는데 널리 사용되어 왔다. 선비정질화 게르마늄 이온 주입에 대한 수요는 앞으로 반도체 장치 제조에서 크게 증가할 것으로 예상된다. 게르마늄 이온 빔에 대한 가장 인기있는 소스 가스중의 하나는 안정적인 화학적 성질 및 비용 효과 때문에 4불화 게르마늄(GeF4)이다. 그러나 GeF4 도펀트 가스로 작동하는 동안 이온 소스의 매우 짧은 수명이 관찰되어 왔다.
게르마늄 이온 주입에 사용되는 이온 소스의 짧은 수명은 GeF4 분자의 화학 적 해리 결과에 따른 아크 챔버(206) 내에 과다한 자유 불소 원자들의 존재 때문일 수 있다. 특히, 아크 챔버 하우징(202) 물질은 이러한 자유 불소 원자와의 화학적 반응 때문에 에칭될 수 있다. 아크 챔버 하우징(202) 물질은 결국 음극(208)의 표면에 증착되어, 음극(208) 표면으로부터의 전자 방출의 열화를 초래할 수 있다.
게르마늄 이온 주입에 대한 문제점이 위에서 논의되었지만, 삼불화 붕소(BF3), 삼불화 인(PF3) 또는 4불화 실리콘(SiF4)과 같은 다른 불소 함유 도펀트 가스는 음극(208)에 증착된 그러한 물질의 결과로 이온 소스(102)의 성능 및 수명에 역효과를 끼치는 유사한 문제들을 보일 수 있다. 아르곤, 크세논 등과 같은 불활성 가스가 도펀트 가스로서 사용될 수 있지만, 불활성 가스를 사용하는 것은, 비록 불활성 가스가 불소를 함유하진 않는다 하더라도, 불가피하게 감소된 빔 전류를 초래한다. 그 결과, 이온 소스 성능 및 수명은 여전히 크게 감소된다.
이온 소스 고장의 다른 흔한 원인은 소스 작동중에 음극(208)으로부터의 물질의 벗겨짐(또는 스퍼터링)에 의한 것이다. 예를 들어, 음극(208)으로부터 금속 물질(예, 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 등)은 음극(208) 쪽으로 가속하는 아크 챔버(206) 내 플라즈마(20)로부터의 이온의 충돌 때문에 제거되는 경향이 있다. 스퍼터링 비율(rate)은 플라즈마(20) 내에서 이온의 질량에 의해 지배되기 때문에, 이온 질량이 증가함에 따라, 스퍼터링 효과는 악화될 수 있다. 실제로, 물질의 계속된 스퍼터링은 음극(208)을 '얇게 하고' 결국에는 음극(208) 내에 구멍 또는 개구를 발생시킬 수 있다. 결과적으로, 이온 소스(102)의 성능 및 수명은 보론(B) 또는 탄소(C)와 같은 가벼운 원소와는 반대로 게르마늄(Ge), 비소(As), 크세논(Xe), 인듐(In), 안티몬(Sb) 등과 같은 무거운 원소를 함유하는 도펀트 가스를 사용할 때 크게 감소된다. 이러한 역효과는 원하는 주입 종의 소스로서 수소화물(예, AsH3, PH3, CH4 등), 불활성 가스(Ar, Xe, 등) 또는 그들의 혼합물을 사용할 때 특히 두드러진다.
앞의 관점에서, 상술한 부적당한 것 및 단점을 극복하기 위하여 이온 소스의 성능을 향상시키고 및 수명을 연장시키는 기술을 제공하는 것이 바람직하다.
가스 혼합으로 이온 소스의 성능을 향상시키고 수명을 연장시키는 기술들이 개시된다. 하나의 특정 모범 실시예에서, 상기 기술들은 이온 주입기 내 이온 소스의 성능을 향상시키고 및 수명을 연장시키는 방법으로 실현될 수 있다. 상기 방법은 이온 소스 챔버 내로 미리 정한 양의 도펀트 가스를 방출하는 것을 포함할 수 있다. 상기 도펀트 가스는 도펀트 종을 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 이온 소스 챔버 내로 미리 정한 양의 희석 가스를 방출하는 것을 포함할 수 있다. 상기 희석 가스는 도펀트 가스를 희석시켜 이온 소스의 성능을 향상시키고 수명을 연장시킬 수 있다.
이 특정 모범 실시예의 다른 태양에 따르면, 상기 도펀트 가스는 할로겐-함유 가스를 포함할 수 있고 상기 희석 가스는 수소-함유 가스 및 불활성 가스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이 특정 모범 실시예의 다른 태양에 따르면, 상기 도펀트 가스는 수소-함유 가스를 포함할 수 있고 상기 희석 가스는 수소-함유 가스 및 불활성 가스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이 특정 모범 실시예의 추가적 태양에 따르면, 상기 방법은 이온 소스 챔버 내로 미리 정한 양의 제2 희석 가스를 방출하는 것을 포함할 수 있는데, 여기서 제2 희석 가스는 할로겐-함유 가스, 수소-함유 가스 및 불활성 가스 중 적어도 하나를 포함한다.
이 특정 모범 실시예의 다른 태양에 따르면, 상기 희석 가스는 동반종(co-species)을 포함할 수 있다.
이 특정 모범 실시예의 추가적 태양에 따르면, 상기 희석 가스는 상기 도펀트 가스를 보완할 수 있고 상기 도펀트 종은 상기 동반종과 동일할 수 있다.
이 특정 모범 실시예의 다른 태양에 따르면, 상기 도펀트 종은 상기 동반종과 상이할 수 있다.
다른 모범 실시예에 따르면, 상기 기술들은 이온 주입기 내 이온 소스의 성능을 향상시키고 수명을 연장시키기 위한 장치로서 실현될 수 있다. 상기 장치는 도펀트 가스 소스로부터 이온 소스 챔버 내로 미리 정한 양의 도펀트 가스를 방출하기 위한 도펀트 가스 제어기를 포함할 수 있다. 상기 도펀트 가스는 도펀트 종을 포함할 수 있다. 상기 장치는 또한 제1 희석 가스 소스로부터 상기 이온 소스 챔버 내로 미리 정한 양의 제1 희석 가스를 방출하기 위한 제1 희석 가스 제어기를 포함할 수 있다. 상기 제1 희석 가스는 상기 이온 소스의 성능을 향상시키고 수명을 연장하기 위해 상기 도펀트 가스를 희석시킬 수 있다.
다른 모범 실시예에 따르면, 상기 기술들은 이온 주입기 내 이온 소스의 성능을 향상시키고 수명을 연장시키기 위한 장치로서 실현될 수 있다. 상기 시스템은 도펀트 가스 소스로부터 이온 소스 챔버 내로 미리 정한 양의 도펀트 가스를 방출하기 위한 도펀트 가스 제어기를 구비하는 이온 소스를 포함할 수 있다. 상기 도펀트 가스는 도펀트 종을 포함할 수 있다. 상기 시스템은 또한 하나 이상의 희석 가스 소스로부터 상기 이온 소스 챔버 내로 미리 정한 양의 하나 이상의 희석 가스를 방출하기 위한 하나 이상의 희석 가스 제어기를 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 희석 가스는 하나 이상의 동반종(co-species)을 포함할 수 있다. 상기 도펀트 가스 및 상기 하나 이상의 희석 가스는 이온 소스의 성능을 향상시키고 수명을 연장하기 위한 보완 혼합물(complementary mixture)을 형성할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에서 보여주는 것과 같이 모범 실시예들과 관련하여 보다 자세히 설명될 것이다. 본 발명이 모범적 실시예들과 관련하여 하기에 설명되지만, 본 발명은 그것에 한정되지는 않는다고 이해되어야 한다. 여기의 발명에 접근할 수 있는 관련 분야의 통상의 지식을 갖는 자는, 본 개시의 범위 내에서 본 개시가 실질적인 실용성이 있을 수 있게 하는 추가 이행 방법, 변형 및 실시예들과 더불어 다른 분야에서의 사용 방법들을 인지할 것이다.
본 발명을 완전히 이해할 수 있도록, 첨부된 도면들이 이제 참조되며, 여기서 동일한 요소들은 동일한 숫자로 참조된다. 이들 도면들은 본 발명을 한정하는 것으로 해석도어서는 안되며, 예시적으로만 의도된다.
도 1은 종래의 이온 주입기 시스템을 나타낸다.
도 2는 도1의 종래의 이온 주입기 시스템 내 종래의 이온 소스를 나타낸다.
도 3A는 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적 이온 소스 구성을 나타낸다.
도 3B는 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 예시적 이온 소스 구성을 나타낸다.
도 3C는 본 발명의 일 실시예에 따른 또 다른 예시적 이온 소스 구성을 나타낸다.
본 발명의 실시예들은 가스 혼합으로 이온 소스의 성능을 향상시키고 수명을 연장시킨다.
도 3A 내지 도 3C는 본 발명의 실시예들에 따른 전형적 이온 소스 구성(202a 및 202b)을 도시한다. 관련 분야의 기술자들은 도 2의 모든 요소들이 도 3A 내지 도 3C에 포함되었음을 이해해야 한다. 그 결과, 도 3A 내지 도 3C의 대부분 요소들은 도 2의 요소들과 관련하여 이해되어야 한다.
도 3A를 참조하면, 이온 소스(202a)는 도펀트 가스 소스(260)로부터 도펀트 가스를 희석하기 위하여 하나 이상의 희석 가스를 아크 챔버(206)로 방출하는 하나 이상의 희석 가스 소스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 희석 가스 소스(262) 및 관련된 가스 흐름 제어기(268)가 도펀트 가스 소스(260)로부터 도펀트 가스를 희석하기 위하여 도관(280)을 통하여 미리 정한 양의 희석 가스를 아크 챔버(206)로 제공 할 수 있다.
일 실시예에서는, 도 3A에 도시된 바와 같이, 도펀트 가스 및 하나 이상의 희석 가스가 동일한 도관(280)을 통하여 아크 챔버(206)에 공급될 수 있다. 따라서, 하나 이상의 희석 가스는 아크 챔버(206)로 들어가기 전에 도관(280)에서 미리 혼합될 수 있다. 다른 실시예에서는, 도 3B에서 도시된 바와 같이, 이온 소스(202b) 내의 도펀트 가스 및 하나 이상의 희석 가스들이 아크 챔버(206)로 상이한 도관(280a, 280b)을 통하여 제공될 수 있다. 그러한 경우, 하나 이상의 희석 가스는 도펀트 가스와 아크 챔버(206)에서 혼합된다.
도펀트 가스는 원하는 이온 주입에 따라 다양한 도펀트 종(예: 게르마늄(Ge), 보론(B), 인(P), 실리콘(Si), 비소(As) 등)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 도펀트 가스는 도펀트 가스 소스(260)로부터 할로겐-함유 가스의 형태로 방출될 수 있다. 다른 실시예에서, 도펀트 가스는 도펀트 가스 소스로부터 수소화물 (또는 수소-함유) 가스의 형태로 방출될 수 있다. 예를 들어, 표 1은 하나 이상의 수소화물 가스 및 여러 도펀트 종의 각각에 대한 하나 이상의 할로겐화 가스를 도시한다.
수소화물 및 할로겐화 형태의 주입 종
도펀트 종 수소화물 할로겐화
As AsH3 AsF5, AsCl3
B B2H6, B10H18 BF3, BI3, BCl3
P PH3 PF3, PCl3, PF5
Ge GeH4 GeF4
Si SiH4, Si2H6 SiF4, SiCl4, HSiCl3
C CH4, C2H2, CO2, CnH2+2 CF4, C2F6, CCl4
In In(고형) InCl3
(임의) H2 F2, Cl2
Gd --- GdCl3
다른 일 실시예에서, 도펀트 가스는 또한 아르곤(Ar) 또는 아르곤-함유 가스, 크세논(Xe) 또는 크세논-함유 가스 등과 같은 불활성 가스를 포함할 수 있다. 다른 조합들(combinations) 및 다양한 도펀트 가스들이 또한 고려될 수 있다.
또한, 다른 실시예에서, 도 3C에 도시된 바와 같이, 가스 부품(component)(390)은 도펀트 전구체를 증발시키고 도관(280)을 통하여 아크 챔버(202)로 도펀트 전구체 (증기 형태로)를 운반하기 위한 히터(도시 생략)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 가스 부품(390)은 기화기(vaporizer)일 수 있다. 이 경우, 히터는 예를 들어, 기화기 내에서 고형 소스를 가열하여 도펀트 전구체를 증발시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 가스 부품(390)은 기포발생기(bubbler)일 수 있다. 이 예에서, 히터는 예를 들어 기포발생기 내에서 액체 소스를 가열하여 도펀트 가스를 증발시킬 수 있다. 또한, 기포발생기는 또한 도펀트 증기를 도관(280)을 통하여 아크 챔버(202)로 운반하는 것을 돕는 운반 가스를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 가스 부품은 또한 도펀트 종 자체의 원소 형태 자체(예: 인, 금속 등)를 사용할 수 있고 이 증기들을 도관(280)을 통하여 아크 챔버(202)로 운반할 수 있다. 기타 다양한 실시예가 또한 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 희석 가스는 수소(H2) 또는 수소-함유 가스를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 희석 가스는 할로겐 또는 할로겐-함유 가스 (예: F2, Cl2 등)를 포함할 수 있다. 기타의 조합들 및 다양한 희석 가스들이 또한 사용될 수 있다.
다시 도 3A를 참조하면, 필라멘트(214)가 관련된 전원에 의하여 열 이온 방출 온도까지 가열될 때, 필라멘트(214)로부터 방출된 전자는 필라멘트(도시 생략)에 대한 음극상의 양의 바이어스 때문에 음극(208)으로 가속되고 그에 따라 또한 상기 음극(208)을 열 이온 방출 온도까지 가열한다. 음극(208)으로부터 방출된 전자는 그 후에 아크 챔버에 대한 음의 아크 전압 때문에 음극으로부터 가속되어 아크 챔버(206) 내부의 도펀트 가스 소스(260)에 의해 제공된 도펀트 가스의 가스 분자를 이온화하여 플라즈마(20)을 생성할 수 있다. 아크 챔버(206) 내의 전자는 자기장 B(222)에 의해 나선형 궤도를 따라 이온화 충돌 수를 증가시킬 수 있다. 반발 전극(210)은 아크 챔버(206)를 통하여 전자를 다시 반발시키는 음전하를 축적하여 추가적 이온화 충돌을 생성한다. 일 실시예에서, 반발 전극(210)은 자체 전원 또는 음극(208)과 동일한 전원을 사용하여 독립적으로 바이어스되어 음극(208) 및 반발 전극(210) 사이에 제한된(confined) 전자가 원자의 효율적 이온화를 보증할 수 있다. BF3, GeF4, PF3, 및 SiF4 와 같은 할로겐 함유 (예: 불소-함유) 도펀트 가스를 사용할 때에 이온 소스(202a)의 수명은 플라즈마(20)에 노출된 아크 챔버 부품들 상의 금속 성장(예, 텅스텐(W) 증착)에 의하여 제한될 수 있다. 이러한 부품들은 음극(208) 및 반발 전극(210)을 포함할 수 있다. 특히, 예를 들어, 아크 챔버 벽으로부터의 텅스텐은 불소와 결합되어 WF6를 형성할 수 있는데, WF6은 아크 챔버 하우징 벽보다 더 높은 온도 및 인출구(204), 음극(208) 및 반발 전극(210)보다 더 낮은 온도에 노출되지 않는 한 가스 형태로 머문다. 그 결과, 가장 뜨거운 표면위에서 분해되는 WF6 분자는 그러한 표면들 상에 텡스텐 축적을 초래할 수 있다. 뜨거은 표면상의 그러한 텡스텐 축적은 플라즈마(20)에서의 불소(F) 래디컬(radical)의 반응을 통하여 아크 챔버 벽들로부터 제거되는 텡스텐 양에 의해 결정될 수 있다. 그 결과, 아크 챔버 벽들로부터의 텡스텐 제거율은 따라서 플라즈마(20)에서의 자유 불소 래디컬의 농도의 함수일 수 있다. 플라즈마(20)에서의 자유 불소 래디컬의 농도를 조절하는 것은 음극(208) 및 반발 전극(210)상의 텡스텐 축적의 비율을 규제할 수 있다. 따라서, 수소-함유 희석 가스 (또는 불활성 가스)와 같은 하나 이상의 희석 가스의 미리 정한 양을 아크 챔버(206)로 미리 정한 양의 도펀트 가스와 함께 배출함으로써, 금속 성장율 또는 텡스텐 축적이 감소될 수 있다.
불활성 희석제의 첨가는 플라즈마(20) 내의 수소 래디컬의 농도를 감소시켜 아크 챔버 벽으로부터 텡스텐 (또는 기타 금속)을 산화 (또는 제거)할 수 있다. 수소-함유 희석 가스로부터 생성된 수소 래디컬은 추가로 WF6 (또는 챔버 벽의 구조의 물질에 따라, 기타 휘발성 금속 할로겐화물) 형성을 감소시키기 위하여 아크 챔버(206) 내부에서 과도한 자유 불소 분자를 배기할 수 있다. 그 결과, 도펀트 가스와 혼합된 하나 이상의 수소 원자들, 수소-함유 희석 가스는 이온 소스의 성능을 향상시키고 수명을 연장시킬 수 있다.
도펀트 가스가 비-불소, 할로겐 함유 도펀트 가스일 때에, 하나 이상의 희석 가스는 또한 텅스텐 축적을 감소시킬 수 있다는 것을 관련 분야의 기술자가 이해해야 한다. 따라서, 이러한 도펀트 가스를 희석시키기 위하여 하나 이상의 희석 가스를 첨가하는 것은 또한 이온 소스에 대해 향상된 성능 및 연장된 수명을 가져올 수 있다. 이러한 희석 가스는 예를 들어 상술한 바와 같이 불활성 가스 또는 수소-함유 가스를 포함할 수 있다.
수소 또는 수소-함유 가스와 같은 하나 이상의 희석 가스를 사용하는 것은 여러 가지 이점이 있다. 첫째, 수소 또는 수소-함유 가스는 기타 희석 가스와 비교할 때 좀 더 용이하게 구할 수 있다. 이것은 이온 소스 성능을 향상시키고 이온 소스 수명을 연장시키기 위한 더욱 비용 효율적인 접근이 될 수 있다. 추가로, 수소 또는 수소-함유 가스를 함유하는 희석 가스 소스는 많은 이온 소스 구성에서 비교적 용이하게 혼입(incorporate)될 수 있다. 그 결과, 수소 또는 수소-함유 희석 가스를 사용하는 것은 또한 이온 소스의 성능 향상 및 수명 연장에 대한 단순한 접근을 제공할 수 있다.
그러나, 희석 가스, 특히 수소-함유 희석 가스를 사용할 때 생길 수 있는 하나의 문제는 감소된 이온 빔 전류를 포함한다. 이온 빔 전류의 감소는 도펀트 종을 갖는 도펀트 가스가 도펀트 종과 상이한 동반종(co-species)을 갖는 수소-함유 희석 가스와 혼합될 때 발생할 수 있다. 예를 들어, AsH3 와 같은 수소-함유 희석 가스가 GeF4 도펀트 가스와 혼합될 때, 자유 불소 분자와 결합되는 자유 수소의 유리한 효과가 이온 소스의 수명을 연장할 때까지 계속될 수 있다. 그러나, 원하는 도펀트 종 (이 경우, Ge)에 대한 이온 빔 전류는 플라즈마(20) 내 상기 동반종에서의 도펀트(Ge)의 부족 때문에 감소될 수 있다. 그 결과, Ge 주입을 위한 이온 빔 전류는 도펀트 가스의 종과 상이한 동반종을 갖는 수소-함유 희석 가스를 사용할 때 감소될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 이온 빔 전류의 감소는 이온 주입 동안 도펀트-희석 가스의 보완 결합(complementary combination) (또는 혼합)을 사용함으로써 방지될 수 있다. 추가로, 모든 원하는 이온 소스 수명 이점의 보유는 도펀트 가스를 보완하는 희석 가스를 사용할 때 또한 달성될 수 있다. 예를 들어, GeF4 도펀트 가스는 특히 원하는 Ge 도펀트 종을 함유할 수 있다. 그러나, 도펀트 가스 내의 종과 상이한 동반종을 갖는 하나 이상의 수소-함유 가스를 도입하는 것은 이온 빔 전류를 상당히 감소시킬 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, Ge 동반종을 갖는 미리 결정된 양의 희석 가스를 Ge 종을 갖는 GeF4 도펀트 가스와 혼합시켜 Ge 이온 빔 전류의 감소를 방지할 수 있다. 표 1를 참조하면, 예를 들어, GeH4 희석 가스는 GeF4 도펀트 가스에 대한 보완 희석 가스일 수 있다. 이 실시예에서, GeH4 희석 가스 및 GeF4 도펀트 가스는 동일한 관심종을 갖는데, 이 경우 그것은 Ge이다. 그 결과, 일단 가스가 혼합되면, 자유 수소 및 자유 불소가 결합하여 이온 소스의 수명을 향상시킬 뿐 아니라, 도펀트 가스 및 희석 가스 모두로부터의 Ge 종의 존재는 이온 빔 전류의 어떠한 손실도 방지할 수 있다.
GeF4 및 GeH4 가 도펀트-희석 가스의 보완 결합의 하나로서 논의되는 반면, 기타 다양한 결합도 또한 사용될 수 있다는 것이 이해되어져야 한다. 일 실시예에서, 표 1에 기재된 바와 같이, 특정 도펀트 종의 임의의 할로겐화 도펀트 가스가 도펀트 종과 동일한 동반종을 갖는 임의의 수소화물 희석 가스와 보완되거나 혼합될 수 있다. 다른 실시예에서, 도펀트 가스는 수소화물 형태일 수 있고 하나 이상의 희석 가스는 할로겐화 형태일 수 있다. 예를 들어, GeH4 는 도펀트 가스일 수 있고 GeF4 는 희석 가스일 수 있다. 이것은 또한 보완적 도펀트-희석 혼합을 형성할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 수소 가스(H2)는 이온 빔 전류를 감소시키지 않고 이온 소스 수명을 연장시키는 임의의 도펀트-희석 혼합을 갖는 추가적 희석 가스로서 방출될 수 있다. 혼합된 보완적 도펀트-희석 결합에 따르면, 각 도펀트 및 하나 이상의 희석 가스의 농도 및 양은 다양하다. 기타 다양한 혼합 및 결합이 또한 고려될 수 있다.
도 3A 내지 도 3B와 관련하여 단지 하나의 희석 가스만 설명되지만, 많은 수의 희석 가스, 희석 가스 소스 및 희석 가스 흐름 제어기가 설치될 수 있다.
이온 소스의 안정성 및 수명을 향상시키기 위한 가스 혼합의 선택은 상술한 기술을 사용하여 성취될 수 있다. 최적화된 보완적 도펀트-희석 가스의 사용을 통한 플라즈마(20)내 반응종(reactive species)의 화학적 균형 및/또는 농도의 제어는 향상된 이온 소스 작동을 제공을 할 수 있다. 희석 가스의 종과 동일한 종을 갖는 도펀트 가스를 사용하는 것의 이점이 상술되었지만, 상이한 전기음성도를 갖는 동반종이 또한 플라즈마(20)내의 에칭 및/또는 증착 효과의 총 농도(net concentrations)의 균형을 맞추기 위하여 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예들이 특정 이온 주입기 시스템에서 이온 소스의 성능을 향상시키고 및 수명을 연장상시키기 위한 하나 이상의 희석 가스를 도입하고 있지만, 다른 이행도 또한 제공될 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 하나 이상의 희석 가스를 도입하는 기술은 베르나스(Bernas), 프리만(Freeman), 유도적으로 가열된 음극(IHC) 또는 그들의 유도체(derivatives)와 같은 기타 타입의 다양한 이온 소스 또는 글로우 방전 플라즈마 도핑(GD-PLAD) 또는 무선 주파수 플라즈마 도핑(PF-PLAD) 시스템과 같은 플라즈마에 기초한 이온 주입 시스템에도 적용할 수 있다. 다른 다양한 이행들이 또한 제공될 수 있다.
이온 주입기 시스템 내의 이온 소스의 성능과 수명을 향상시키는 것에 더하여, 이온 주입 동안 하나 이상의 희석 가스를 사용하는 본 기술은 추가적 잇점을 가질 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 개선된 희석 가스 기술을 사용함으로써 종래 이온 주입 기술과 관련된 비효과적이고 비효율적이며 과다한 단계로 인한 과다한 시간 및 비용이 감소되고/되거나 제거될 수 있기 때문에 이온 소스의 사용에서 매우 큰 효율이 달성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 종래 이온 주입 방법 및 시스템의 적용을 확대하도록 가스 혼합을 사용하여 이온 주입기 시스템에서 이온 소스의 향상된 성능 및 연장된 수명과 같은 향상된 작동을 제공할 수 있다.
본 발명은 여기에 기재된 특별한 실시예에 의한 범위로 한정되지 않는다. 여기에 기재된 것 이외에도, 다른 다양한 실시예 및 변형이 관련 분야의 기술자에게 상술한 기재 및 첨부된 도면으로부터 명백할 것이다. 따라서, 그러한 다른 실시예 및 변형은 본 발명의 범위 내에 있도록 의도된다. 또한, 비록 본 발명이 여기에서는 특별한 목적을 위한 특별한 환경에서의 특별한 이행의 맥락에서 기술되었지만, 관련 분야에서 통상의 지식을 갖는 자들은 그것의 유용성이 그것에 한정되지 않는다는 것과 본 발명은 다른 목적의 다른 환경에서 유익하게 이행될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 아래의 청구항들은 여기에서 기술한 본 발명의 전체 범위 및 사상을 고려하여 해석되어야 한다.

Claims (25)

  1. 이온 주입기 내의 이온 소스의 성능을 향상시키고 수명을 연장시키기 위한 방법으로,
    미리 정한 양의 도펀트 가스를 이온 소스 챔버로 도입하되, 상기 도펀트 가스는 도펀트 종을 포함하고; 및
    미리 정한 양의 희석 가스를 상기 이온 소스 챔버로 도입하는 것을 포함하되, 상기 희석 가스는 상기 도펀트 가스를 희석시키어 상기 이온 소스의 성능을 향상시키고 수명을 연장시키는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 도펀트 가스는 할로겐-함유 가스이고 상기 희석 가스는 수소-함유 가스 또는 불활성 가스인 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 도펀트 가스는 수소-함유 가스이고 상기 희석 가스는 할로겐-함유 가스 또는 불활성 가스인 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 방법은 미리 정한 양의 제2 희석 가스를 상기 이온 소스 챔버로 방출하는 것을 더 포함하는 가스인 방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 제2 희석 가스는 할로겐-함유 가스, 수소-함유 가 스 및 불활성 가스 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 제2 희석 가스는 추가적인 도펀트 가스, 추가적인 희석 가스, 할로겐 가스, 수소 가스 및 불활성 가스 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 희석 가스는 동반종(co-species)을 포함하는 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 도펀트 종은 상기 동반종과 동일한 방법.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 도펀트 종은 상기 동반종과 상이한 방법.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 도펀트 가스는 상기 도펀트 종의 수소화물을 포함하고, 상기 희석 가스는 동일한 도펀트 종의 할로겐화물을 포함하는 방법.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 도펀트 가스는 상기 도펀트 종의 할로겐화물을 포함하고, 상기 희석 가스는 동일한 도펀트 종의 수소화물을 포함하는 방법.
  12. 이온 주입기 내의 이온 소스의 성능을 향상시키고 수명을 연장시키기 위한 장치로서,
    도펀트 가스 소스로부터 이온 소스 챔버로 미리 정한 양의 도펀트 가스를 방출하기 위한 도펀트 가스 제어기를 포함하되, 상기 도펀트 가스는 도펀트 종을 포함하고; 및
    제1 희석 가스 소스로부터 상기 이온 소스 챔버로 미리 정한 양의 제1 희석 가스를 방출하기 위한 제1 희석 가스 제어기를 포함하되, 상기 제1 희석 가스는 상기 도펀트 가스를 희석시키어 상기 이온 소스의 성능을 향상시키고 수명을 연장시키는 장치.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 도펀트 가스는 할로겐-함유 가스이고, 상기 희석 가스는 수소-함유 가스 또는 불활성 가스인 장치.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 도펀트 가스는 수소-함유 가스이고, 상기 희석 가스는 할로겐-함유 가스 또는 불활성 가스인 장치.
  15. 청구항 12에 있어서, 상기 방법은 미리 정한 양의 제2 희석 가스를 상기 이온 소스 챔버로 방출하는 것을 포함하는 장치.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 제2 희석 가스는 할로겐-함유 가스, 수소-함유 가스 및 불활성 가스 중 적어도 하나를 포함하는 장치.
  17. 청구항 15에 있어서, 상기 제2 희석 가스는 추가적인 도펀트 가스, 추가적인 희석 가스, 할로겐 가스, 수소 가스 및 불활성 가스 중 적어도 하나를 포함하는 장치.
  18. 청구항 12에 있어서, 상기 희석 가스는 동반종(co-species)을 포함하는 장치.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 도펀트 종은 상기 동반종과 동일한 장치.
  20. 청구항 18에 있어서, 상기 도펀트 종은 상기 동반종과 상이한 장치.
  21. 청구항 1에 있어서, 상기 도펀트 가스는 상기 도펀트 종의 수소화물을 포함하고, 상기 희석 가스는 동일한 도펀트 종의 할로겐화물을 포함하는 장치.
  22. 청구항 1에 있어서, 상기 도펀트 가스는 상기 도펀트 종의 할로겐화물을 포함하고, 상기 희석 가스는 동일한 도펀트 종의 수소화물을 포함하는 장치.
  23. 이온 주입기 내의 이온 소스의 성능을 향상시키고 수명을 연장시키기 위한 시스템으로,
    도펀트 가스 제어기, 하나 이상의 희석 가스 제어기 및 이온 소스 챔버를 포 함하는 이온 소스를 포함하고;
    상기 도펀트 가스 제어기는 도펀트 가스 소스로부터 상기 이온 소스 챔버로 미리 정한 양의 도펀트 가스를 방출하되, 상기 도펀트 가스는 도펀트 종을 포함하고;
    상기 하나 이상의 희석 가스 제어기는 하나 이상의 희석 가스 소스로부터 상기 이온 소스 챔버로 미리 정한 양의 하나 이상의 희석 가스를 방출하되, 상기 하나 이상의 희석 가스는 하나 이상의 동반종을 포함하고;
    상기 도펀트 가스 및 상기 하나 이상의 희석 가스는 보완적 혼합을 형성하여 상기 이온 소스의 성능을 향상시키고 수명을 연장시키는 시스템.
  24. 청구항 19에 있어서, 상기 도펀트 종은 상기 하나 이상의 동반종 중 적어도 하나와 동일한 시스템.
  25. 청구항 19에 있어서, 상기 하나 이상의 희석 가스는 할로겐-함유 가스 및 수소-함유 가스 중 적어도 하나를 포함하는 시스템.
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