KR20100072046A - 절연체상 실리콘 웨이퍼 제조를 위한 단일 웨이퍼 주입기 - Google Patents

절연체상 실리콘 웨이퍼 제조를 위한 단일 웨이퍼 주입기 Download PDF

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줄리앙 지. 브레이크
유리 에로킨
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베리안 세미콘덕터 이큅먼트 어소시에이츠, 인크.
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Abstract

이온 주입기가 개시된다. 하나의 이러한 이온 주입기는 산소, 질소, 헬륨, 또는 수소 이온을 특정 도우즈 범위를 갖는 이온빔으로 발생시키도록 배열되는 이온빔 소스, 및 상기 이온 빔으로부터 바람직하지 않은 종을 제거하도록 배열되는 분석기 자석을 포함한다. 상기 이온 주입기는 상기 이온 빔에 의해 절연체상 실리콘 주입용 단일 작업대상물을 유지하도록 배열되고, 상기 작업대상물을 대략 300℃ 내지 600℃의 범위의 온도로 냉각시키도록 배열되는 후면 가스 열적 결합을 갖는 정전기 척을 포함한다.

Description

절연체상 실리콘 웨이퍼 제조를 위한 단일 웨이퍼 주입기{SINGLE WAFER IMPLANTER FOR SILICON-ON-INSULATOR WAFER FABRICATION}
본 발명은 이온 주입, 더욱 상세하게는 절연체상 실리콘 주입을 위한 단일 웨이퍼 빔라인 이온 주입기에 관한 것이다.
이온 주입은 도전성을 변화시키는 불순물을 반도체 웨이퍼로 도입하는 표준 기술이다. 원하는 불순물질이 이온 소스에서 이온화되고, 이온은 규정된 에너지의 이온빔을 형성하기 위하여 가속되고, 이온 빔은 웨이퍼의 표면에서 유도된다. 빔의 활성화된 이온이 반도체 물질의 벌크로 침투하고 반도체 물질의 결정 격자에 매립되어 원하는 도전성 영역을 형성한다.
이온 주입기는 가스 또는 고형 물질을 잘 정의된 이온 빔으로 변환하기 위한 이온 소스를 포함한다. 이온 빔은 원하지 않는 이온 종을 제거하기 위해 질량분석되고, 원하는 에너지로 가속되고, 표적으로 주입된다. 이온 빔은 정전기 또는 마그네틱 빔 스캔에 의해, 표적 이동에 의해, 또는 빔 스캔과 표적 이동의 조합에 의해 표적 영역 상에 분배될 수 있다. 이온 빔은 스폿빔 또는 긴 쪽 및 짧은 쪽을 갖는 리본 빔일 수 있다. 리본 빔에 있어서, 긴 쪽은 대체로 적어도 웨이퍼만큼 넓다.
절연체상 실리콘(silicon-on-insulator, SOI)은 대체로 내부적 절연층을 갖는 실리콘 기판으로 이루어진 층상(layered) 반도체 구조이다. 기판내에 배치된 절연층은 예를 들어, SiO2 또는 SiN일 수 있다. SOI는 트랜지스터를 충전 또는 방전하는데 필요한 시간을 감소시키고, 소스 및 드레인 접합에서 커패시턴스를 감소시키며, 회로 크기를 감소시키도록 사용될 수 있다.
SOI를 제조하기 위한 하나의 방법은 산소의 주입에 의한 분리(separation by implantation of oxygen; SIMOX)이다. SIMOX는 대체로 이온 빔 주입 및 어닐링(annealing)을 사용하여 이산화규소층을 형성한다. 웨이퍼는 산소 주입 이전에 가열되어 주입 동안 이의 결정 구조를 유지한다. 산소는 그 이후에 웨이퍼로 주입되고 웨이퍼는 어닐링되어 SiO2 층을 형성한다. 고온 어닐링이 그 후에 수행될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 실리콘 증착이 수행되어 SOI 웨이퍼를 형성한다.
질소의 주입에 의한 분리(separation by implantation of nitrogen, SIMON)는 산소 대신에 질소를 사용하여 SIMOX와 유사한 방식으로 수행된다. 질소 이온은 예를 들어, 좋은 절연체인 Si3N4 를 형성할 수 있거나, 주입 동안 산소 이온과 결합될 수 있다.
SOI를 제조하는 다른 방법은 '본딩 및 쪼갬(bond and cleave)' 공정을 통한 것이다. 도너(donor) 웨이퍼는 이온화되어 절연층을 형성한다. 수소, 헬륨, 또는 수소와 헬륨의 결합이 도너 웨이퍼에 주입된다. 도너 웨이퍼는 그 후에 도치되고 핸들이라고 알려진 다른 웨이퍼에 본딩되어, 도너 웨이퍼의 주입된 표면이 핸들 웨이퍼상에 배치되도록 한다. 수소 또는 헬륨은 주입 동안 도너 웨이퍼내에 기포 또는 포켓(pockets)을 형성한다. 따라서, 도너 웨이퍼는 쪼개질 수 있거나, 주입된 부분으로부터 분리되는 비주입된 부분을 가질 수 있다.
플라즈마 이머션(immersion)은 SOI 주입을 위하여 사용되어져 왔다. 플라즈마 이머션은 예를 들어 Henley 등의 명의로 등록된 미국특허 제 6,207,005 호에서 보듯 대체로 RF 플라즈마 소스를 사용하여 이온을 발생시킨다. 그러나, 플라즈마 이머션은 질량선택자석(mass selection magnet)이 결핍되어 이온 선택이 어렵다. 또한, 주입 동안 도오즈 균일성을 유지하는 것이 어렵다.
스피닝 디스크 배치(spinning disk batch) 주입기가 마찬가지로 SOI 주입을 위하여 사용될 수 있다. 그러나, 만일 배치 주입기에서 공정 동안 어떤 에러가 있다면, 단순히 단일 웨이퍼 또는 작업대상물 대신에, 웨이퍼 또는 작업대상물(workpieces)의 전체 배치가 붕괴될 수 있다. 웨이퍼는 대체로 비싸고 배치 주입기에서 그러한 실수는 매우 많은 비용을 지불하게 될 것이다.
단일 웨이퍼 빔라인 주입기는 스피닝 디스크 배치 주입기 또는 플라즈마 이머션 시스템에서 발견하지 못한 수 많은 이점을 제공한다. 예를 들어, 두 개의 자석 빔라인은 이온 선택에 매우 중요하다. 단일 웨이퍼 주입기내의 몇몇 빔 형상은 높은 작업처리량(throughput)을 더 제공하는데, 이러한 빔 형상이 더 넓은 빔 및, 높은 빔 전류에서 더 나은 이송을 갖기 때문이다. 단일 웨이퍼 주입기는 또한 웨이퍼에 대하여 향상된 열 부하 분포를 제공한다.
SOI 주입에 대한 단일 웨이퍼 주입기는 이전에 매우 작은 빔 영역, 작은 빔 전류를 갖고, 웨이퍼 또는 작업대상물의 높은 작업처리량 또는 온도 제어가 결핍되었다. 따라서, 몇몇 경우에서, 주입은 완료까지 수 일이 걸릴 수 있었는데, 작업처리량이 이러한 주입기에 대하여 매우 낮았기 때문이다.
따라서, 당업계에 절연체상 실리콘 주입에 대한 단일 웨이퍼 빔라인 이온 주입의 새롭고 개선된 장치 및 방법에 대한 필요가 있다.
본 발명의 제1 측면에 따라, 이온 주입기가 제공된다. 상기 이온 주입기는 산소 및 질소로 구성된 그룹으로부터 선택된 이온을 대략 1E17 내지 4E17 cm- 2 의 산소, 대략 1 내지 3E15 cm-2 의 산소, 및 대략 1E17 내지 2E18 cm-2 의 질소로 구성된 그룹으로부터 선택된 도오즈 범위를 갖는 이온 빔으로 발생시키도록 구성된 이온 빔 소소; 바람직하지 않은 종(species)을 상기 이온 빔으로부터 제거하도록 구성된 분석기 자석(analyzer magnet); 및 후면(backside) 가스 열적 결합(thermal coupling)을 갖는 정전기 척(chuck)을 포함하고, 상기 정전기 척은 상기 도우즈 범위를 갖는 상기 이온 빔에 의해 절연체상 실리콘 주입용 단일 작업대상물을 유지하도록 구성되고, 상기 정전기 척은 상기 작업대상물을 대략 300℃ 내지 600℃의 범위의 온도로 냉각하도록 구성된다.
본 발명의 제2 측면에 따라, 이온 주입기가 제공된다. 상기 이온 주입기는 수소 및 헬륨으로 구성된 그룹으로부터 선택된 이온을 대략 5E15 내지 8E16 cm- 2 의 수소 및 대략 5E15 내지 8E16 cm-2 의 헬륨으로 구성된 그룹으로부터 선택된 도오즈 범위를 갖는 이온 빔으로 발생시키도록 구성된 이온 빔 소소; 바람직하지 않은 종(species)을 상기 이온 빔으로부터 제거하도록 구성된 분석기 자석(analyzer magnet); 및 후면 가스 열적 결합을 갖는 정전기 척을 포함하고, 상기 정전기 척은 상기 도우즈 범위를 갖는 상기 이온 빔에 의해 절연체상 실리콘 주입용 단일 작업대상물을 유지하도록 구성되고, 상기 정전기 척은 상기 작업대상물을 대략 300℃ 내지 600℃의 범위의 온도로 냉각하도록 구성된다.
본 발명의 제3 측면에 따라, 단일 웨이퍼 이온 주입기에서 절연체상 실리콘 주입을 위한 방법이 제공된다. 단일 웨이퍼 주입기에서 절연체상 실리콘 주입에 대한 이 방법은 대략 5E15 내지 8E16 cm-2 도오즈에서 수소, 대략 5E15 내지 8E16 cm-2 도우즈에서 헬륨, 대략 1E17 내지 4E17 cm-2 도우즈에서 산소, 대략 1 내지 3E15 cm-2 도우즈에서 산소, 및 대략 1E17 내지 2E18 cm-2 도우즈에서 질소로 구성된 그룹으로부터 선택된 이온 빔을 발생시키는 단계; 바람직하지 않은 종을 제거하도록 이온 빔을 분석하는 단계; 후면 가스 열적 결합을 갖는 정전기 척상 절연체상 실리콘 제조를 위한 단일 작업대상물을 실질적으로 유지하는 단계; 상기 이온 빔을 갖는 상기 단일 작업대상물을 주입하는 단계; 및 상기 단일 작업대상물을 상기 정전기 척을 사용하여 대략 300℃ 내지 600℃의 범위의 온도로 냉각하는 단계를 포함한다.
본 발명의 더 나은 이해를 위하여, 본원에 참조로 통합된 첨부된 도면에 대해 참조가 이루어진다.
도 1은 단일 웨이퍼 이온 주입기의 일 실시예이다.
도 2는 간접 가열된 캐소드의 일 실시예이다.
도 3은 마이크로파 이온 소스의 일 실시예이다.
도 4는 정전기 척의 일 실시예를 도시한다.
도 5는 후면 가스를 갖는 척에 대한 가스 압력에 대한 온도 비교의 예시이다.
도 6은 후면 가스 열적 결합을 수행할 수 있는 척의 일 실시예이다.
도 7은 램프를 사용하여 웨이퍼를 가열하는 장치의 일 실시예이다.
본 발명은 본원에서 이온 빔 주입 장치 및 방법과 관련하여 개시된다. 그러나, 본 발명은 반도체 제조와 관련된 다른 시스템 및 공정과 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 아래 설명되는 특정 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 단일 웨이퍼 이온 주입기의 일 실시예이다. 일반적으로, 매사추세츠주 글로스터 소재의 베리안 세미콘덕터 이큅먼트 어소시에이츠가 제조한 VIISta HC 주입기와 같은 단일 웨이퍼 이온 주입기(10)는 이온빔(12)을 발생시키기 위한 이온빔 소스(11)를 포함한다. 이온빔 소스(11)는 이온 챔버 및 이온화될 가스를 포함하는 가스 박스를 포함할 수 있다. 이온빔 소스(11)는 간접 가열된 캐소드, 마이크로파 이온 소스, 또는 RF 이온 소스일 수 있다. 가스는 가스가 이온화되는 이온 챔버에 공급된다. 따라서 형성된 이온은 이온 챔버로부터 추출되어 이온빔(12)을 형성한다.
이온빔(12)은 억제전극(14) 및 접지전극(15)을 통과하여 질량 분석기(16)로 나아간다. 질량 분석기(16)는 분해 자석(13) 및, 분해 개구(18)를 갖는 마스킹 전극(17)을 포함한다. 분해 자석(13)은 이온빔(12)에서 이온을 편향시켜, 바람직한 이온종의 이온이 분해 개구(18)를 통과하도록 한다. 바람직하지 않은 이온 종은 분해 개구(18)를 통과하지 않고, 마스킹 전극(17)에 의해 차단된다. 일 실시예에서, 분해 자석(13)은 바람직한 종의 이온을 대략 90°로 편향시킨다.
바람직한 이온종의 이온은 분해 개구(18)를 통과하여 각도 수정기 자석(angle corrector magnet, 23)으로 나아간다. 몇몇 실시예에서, 바람직한 종의 이온은 감속 스테이지를 또한 통과한다. 각도 수정기 자석(23)은 바람직한 이온종의 이온을 편향시키고, 확산된(diverging) 이온빔으로부터의 이온빔을 이온 탄도에 실질적으로 평행한 리본빔(24)으로 전환시킨다. 일 실시예에서, 각도 수정기 자석(23)은 바람직한 이온 종을 대략 70°로 편향시킨다.
몇몇 실시예에서 이온빔(12)은 가속 칼럼을 통과한다. 이 가속 칼럼은 이온빔(12)의 에너지를 선택적으로 제어하고, 바람직한 농도 및 이온빔(12)의 작업대상물(26)로의 침투를 돕는다. 몇몇 실시예에서 리본빔(24)은 가속 칼럼을 또한 통과할 수 있다. 최대 에너지가 대략 60 keV일 수 있는 수소 주입에 대한 것과 같은 다른 실시예에서, 가속 칼럼이 필요하지 않을 수 있다.
한 특정 실시예에서, 가속 칼럼은 분해 개구(18) 및 질량분석기(16) 뒤에 위치될 수 있다. 최대 에너지가 대략 200 keV일 수 있는 산소 주입에 대하여, 이러한 가속 칼럼이 필요할 수 있다. 산소 주입에 대한 이러한 가속 칼럼은 필요한 전류 용량(current capacity) 및 고전압 전력 공급을 위하여 구성될 것이다. 다른 특정 실시예에서, 가속 칼럼은 각도 수정기 자석(23) 뒤에 위치된다.
리본빔(24)은 예를 들어, 산소에 대하여 대략 1E17 내지 4E17 cm-2, 산소에 대하여 대략 1 내지 3E15 cm-2, 질소에 대하여 대략 1E17 내지 2E18 cm-2, 수소에 대하여 대략 5E15 내지 8E16 cm-2 및 헬륨에 대하여 대략 5E15 내지 8E16 cm-2 의 도오즈 범위를 갖는 생산 수준의 작업처리량에서 주입을 가능하게 하는 충분한 빔 전류를 가질 수 있다. 리본빔(24)은 예를 들어 산소 손상(damage) 주입에 대하여 대략 1 내지 3E15 cm- 2 의 도우즈 범위를 갖는 생산 수준의 작업처리량을 가능하게 하는 충분한 빔 전류를 또한 가질 수 있다. 리본빔(24)에 대한 두 가지 특정 도우즈는 예를 들어 H+ 주입에 대하여 약 5E16 cm-2 또는 O+ 주입에 대하여 약 2E17 cm-2 일 수 있다. O+ 주입에 대한 에너지는 대부분의 어플리케이션에서 적어도 대략 80 keV이어야 할 수 있다.
엔드 스테이션(25)은 리본빔(24)의 경로에서 작업대상물(26)과 같은 작업대상물을 지지할 수 있는데, 바람직한 종의 이온이 작업대상물(26)로 주입되도록 한다. 작업대상물(26)은 예를 들어, 웨이퍼 또는 이온 주입을 필요로 하는 다른 물체일 수 있다. 작업대상물(26)은 통상적으로 이러한 실시예에서, SOI를 위하여 주입된다.
엔드 스테이션(25)은 작업대상물(26) 이외에 주입을 위한 다른 작업대상물을 지지할 수 있다. 엔드 스테이션(25)은 작업대상물(26)을 지지하는 척(32)을 포함할 수 있다. 엔드 스테이션(25)의 몇몇 실시예는 리본빔(24) 단면의 긴 쪽에 수직인 작업대상물(26)을 이동시키거나 다른 1차원 스캔을 수행하기 위한 스캐너를 또한 포함할 수 있는데, 이에 의해 작업대상물(26)의 전체 표면위에 이온을 분포한다. 척(32)은 몇몇 실시예에서 회전 및 직각 스캔 보정(orthogonal scan correction)을 제공하도록 또한 배열될 수 있다.
다른 실시예에서, 척(32)은 쿼드(quad) 주입을 수행하도록 배열될 수 있다. 쿼드 주입은 대체로 도오즈의 각 쿼터(quarter)가 새도우(shadow) PR 특징을 도운 후에 작업대상물(26)이 90°회전하는 것을 뜻한다. 쿼드 주입은 또한 SOI 어플리케이션에서 사용되어 임의의 우측에서 좌측으로서 구배를 씻어낸다.
리본빔(24)은 적어도 작업대상물(26)만큼 넓을 수 있다. 리본빔(24)이 도시되었지만, 다른 이온 주입기 실시예가 스캔된 이온빔 (1차원 또는 2차원으로 스캔됨)을 제공할 수 있거나 고정된 이온빔을 제공할 수 있다. 이온 주입기는 몇몇 실시예에서 각도 수정기 자석(23)의 하위에 위치되는 제2 감속 스테이지를 또한 포함할 수 있다.
이온 주입기는 당업자에게 공지된 추가적 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 엔드 스테이션(25)은 작업대상물을 이온 주입기로 도입하고 이온 주입후에 작업대상물을 제거하기 위한 자동화된 작업대상물 조작 장비를 전형적으로 포함한다. 엔드 스테이션(25)은 도오즈 측정 시스템, 일렉트론 플러드 건(electron flood gun), 및 기타 공지의 요소를 또한 포함할 수 있다. 이온 빔이 가로지른 전체 경로는 이온 주입 동안 배기된다는 것이 당업자에게 이해될 것이다.
도 1에 도시된 것과 같은 단일 웨이퍼 이온 주입기는 SOI 주입을 위해 사용될 수 있다. 단일 웨이퍼 이온 주입기(10)와 같은 단일 웨이퍼 이온 주입기는 예를 들어, 수소, 헬륨, 산소 및 질소 주입을 수행할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 수소 및 헬륨, 또는 산소 및 질소가 함께 주입된다. 이는 작업대상물에서 절연층을 형성하거나, 작업대상물에서 손상층을 형성하거나, 또는 작업대상물내에 기포 또는 포켓을 형성하도록 할 수 있다. 따라서, 단일 작업대상물(26)이 리본빔(24)의 경로에 배치된다. 이는, 다중 작업대상물이 함께 주입될 때, 스피닝 디스크 주입기와 같은 배치 주입기와 다르다. 단일 웨이퍼 주입기에서 SOI는 균일한 이온 분포를 필요로 한다. 이는 1차원 스캔을 갖는 리본빔(24)을 사용함으로써 충족될 수 있다. 이는 또한 정전기 또는 전자기 스캔을 갖는 리본빔(24)을 사용함으로써 또한 충족될 수 있다. 균일한 이온 분포는 2차원 기계적(mechanical) 스캔에 의해 또한 제공될 수 있다. 그러나, 이 기계적 스캔은 관성(inertia)에 의해 제한되고 빔은 천천히 이동할 수 있다.
단일 웨이퍼 이온 주입기(10)와 같은 특정 단일 웨이퍼 주입기는 기존의 단일 웨이퍼 SOI 주입기에 비해 SOI 주입에 대한 작업처리량을 상당히 증가시키도록 구성된다. 이는 예를 들어, 더 큰 빔 영역 또는, 웨이퍼 또는 작업대상물에 대한 온도 제어를 사용함으로써 행해질 수 있다. 예를 들어, 단일 웨이퍼 주입기는 산소 또는 수소 주입에 대하여 리본빔을 사용할 수 있다. SOI 주입에 대한 수소 도오즈는 예를 들어 대략 5E16 cm-2 범위에 있을 수 있고 SOI 주입에 대한 산소 도우즈는 예를 들어 대략 2E17 cm-2 범위에 있을 수 있다.
이러한 높은 도오즈 때문에, 높은 작업처리량을 유지하기 위한 더 높은 빔전류가 필요하다. 리본빔은 이러한 높은 빔 전류에서 공간 전하(space charge) 때문에 '파열'을 감소시킨다. 웨이퍼 또는 작업대상물은 또한 냉각되어 이러한 높은 도우즈를 수용한다. 후면 가스 열적 결합의 사용은 단일 웨이퍼 SOI 주입에 대한 이러한 높은 도우즈가 가능하게 한다.
단일 웨이퍼 주입기에서 SOI에 대하여 더 필요한 것은 정밀한 도우즈이다. 이는 높은 빔 전류 또는 높은 전력 밀도를 수반할 수 있다. 따라서, 단일 웨이퍼 이온 주입기(10)와 같은 단일 웨이퍼 주입기는 웨이퍼 또는 작업대상물을 정확한 온도 범위에서 유지할 수 있어야 한다. 이는 척(32)의 상이한 실시예로 행해질 수 있다.
마지막으로, 단일 웨이퍼 주입기에서 SOI는 실리콘의 비정질(amorphizing)화를 방지하기 위하여 주입 이전에 산소 주입을 위하여 웨이퍼 또는 작업대상물의 예열이 필요할 수 있다. 이는 척(32)의 상이한 실시례로 행해질 수 있다. 이는 적어도 하나의 램프로 또한 수행될 수 있다.
하나의 이러한 이온빔 소스(11)는 간접 가열된 캐소드(40)이다. 도 2는 간접 가열된 캐소드의 일 실시예이다. 이는 수소, 헬륨, 산소 및 질소 주입에 사용될 수 있다. 간접 가열된 캐소드(40)의 실시예는 아크 챔버(44)의 벽(43)을 통과하여 연장되도록 구성되는 캐소드(41)를 포함한다. 필라멘트(45)가 속이 빈 영역(46)에서 캐소드(41)에 인접하게 배치된다. 전력공급기(도시안됨)가 필라멘트(45)를 가열하고, 필라멘트(45)와 캐소드(41) 사이에 바이어스 전압을 제공하고, 음극(41)과 아크 챔버(44) 사이에 아크 전압을 제공한다.
가열될 때, 필라멘트(45)는 바이어스 전압에 의해 캐소드(41)의 속이 빈 영역(46)으로 나아가게 하는 부분으로부터 전자를 방출하기 위한 충분한 에너지를 발생시킨다. 캐소드(41)는 그 결과 뜨거워지고 결국에는 아크 챔버(44)로 전자를 방출하기 시작한다. 전자는 아크 전압에 의해 아크 챔버(44)로 끌어당겨지고, 그래서 전자가 소스 가스(47)에 의해 제공되는 가스 분자에 나쁜 영향을 끼칠때 전자는 플라즈마를 형성한다. 몇몇 실시예에서, 간격(spacing)이 캐소드(41) 및 벽(43) 사이에 존재하여 전압 갭을 유지한다.
간접 가열된 캐소드(40)를 사용하기 위하여, 소스 가스(47)가 아크 챔버(44)로 도입된다. 캐소드(41)와 벽(43) 사이의 임의의 간격을 통과하는 소스 가스(47)의 흐름은 몇몇 실시예에서 이 간격을 작게 유지함으로써 실질적으로 제한된다. 제한 부재가 몇몇 실시예에서 사용될 수 있다. 캐소드(41)가 가열되어 소스 가스(47)를 이온화한다. 소스 가스(47)가 이온화되고 이온빔(12)이 발생된다.
효율 및 이온 발생을 증가시키기 위하여, 간접 가열된 캐소드(40)가 리펠러(repeller)(50)에 결합될 수 있다. 리펠러(50)는 간접 가열된 음극(40)에 의해 발생된 전자를 취하고, 전자가 아크 챔버(44)를 가로질러 통과한 후에 전자를 거꾸로 하여 아크 챔버(44)를 또 가로질러 통과하도록 하는 기계적, 정전기적, 또는 자기적 장치이다. 이는 발생된 전자와 소스 가스(47) 사이의 충돌을 증가시킨다.
도 3은 마이크로파(microwave) 이온 소스의 일 실시예이다. 마이크로파 전력이 이온빔 소스(11)내에 플라즈마를 생성하는데 사용될 수 있다. 마이크로파 전력을 사용하는 것은 필라멘트 또는 캐소드에 대한 필요성을 제거한다. 따라서, 마이크로파 전력은 긴 소스 수명을 가질 수 있다. 마이크로파 전력을 발생시키는 하나의 방법은 플라즈마 챔버에서 대략 0.1 테슬라(1kG)의 축방향 자기장을 생성하는 것이다. 생성된 자기장은
Figure pct00001
(여기서
Figure pct00002
은 사이클로트론(cyclotron) 공진 주파수(resonance frequency)이고 e는 전자 전하이고 B는 자기장이고 m은 전자 질량)에 의해 주어지는 공진 조건을 갖는다.
이 특정 실시예에서, 마이크로파 이온 소스(60)는 적어도 500 W의 전력을 갖는 2.45 GHz 마이크로파 제너레이터(generator, 67)에 의해 구동된다. 이 마이크로파 제너레이터(67)는 마그네트론(magnetron)이다. 500 W의 입력 전력은 대략 E12 내지 E13 cm-3 사이의 전자 밀도를 갖는 플라즈마를 생성할 수 있다. 추출 빔 전류는 sub mTorr 범위에서 대략 100 내지 200 mA/cm2 플라즈마 소스(61) 압력일 수 있다.
2.45 GHz 마이크로파 제너레이터에 대하여, 8.75E-2 테슬라의 자기장의 주파수는 전자에 대한 공진 조건을 만족시킨다. 이 자기장의 작동은 마이크로파 이온 소스(60)를 전자 사이클로트론 공진(electron cyclotron resonance, ECR) 소스로 만들지만, 사용가능한 빔전류는 공진값 상의 자기장을 증가시킴으로써 증가될 수 있다.
이온은 마이크로파 이온 소스(60)의 플라즈마 챔버(61)에서 생성된다. 플라즈마 챔버(61)는 전형적으로 수냉각(water-cooled) 실린더이고, 이 실시예에서, 대략 2 내지 5 cm의 크기의 지름 및 대략 7 내지 15cm의 길이의 크기를 가진다. 플라즈마 챔버(61)는 알루미나 또는 스테인레스 스틸과 같은 재료로 제조될 수 있고, 몇몇 실시예에서, 이중벽으로 제조된다. 수냉각 플라즈마 챔버(61)를 제조하는 것은 마이크로파 이온 소스(60)를 H2, He, N2, 또는 O2 과 같은 차가운 표면에 응결(condense)하지 않는 재료로 이온을 생성하는 것으로 제한한다. 그러나, 마이크로파 이온 소스(60)는 고형 재료위에서도 사용될 수 있다.
마이크로파 전력(power)은 유전창(63)을 통하여 플라즈마 챔버(61)의 플라즈마(62)에 도입된다. 유전창(63)은 플라즈마 챔버(61)의 낮은 압력으로부터 대기(atmosphere)를 분리시킨다. 그러나, 마이크로파 전력은 안테나 또는 당업자에게 공지된 다른 수단을 통하여 플라즈마(62)로 또한 도입될 수 있다. 마이크로파 전력은, 가까운 공진 조건 때문에, 플라즈마(62)에 의하여 흡수될 수 있다.
유전창(63)은 공기의 유전상수로부터 플라즈마(62)의 유전상수로 점진적 전이를 하도록 선택된 석영, 알루미나 또는 질화붕소와 같은 전형적으로 복수의 재료이다. 복수의 재료는 샌드위치 형으로 배치될 수 있거나 층상 구성일 수 있다. 이 점진적 전이는 반사되는 마이크로파 전력을 최소화한다. 이 실시예에서, 유전창(63)의 소스 수명은 유전창(63)의 복수의 재료의 최종 층에 의해 결정되는데, 그것이 역류하는 전자의 충돌을 받기 때문이다. 유전창(63)의 최종 층은 예방 정비 또는 소스 정비 동안 대체될 수 있다.
도파관(waveguide, 68)은 유전창(63)에 대향하여 배치된다. 도파관(68)은 반사되는 전력을 최소화하기 위한 3개의 스텁 동조기(stub tuner)를 포함할 수 있으며 특정 모드에서 작동될 것이다.
축 자기장은 플라즈마 챔버(61) 주위에 배치된 복수의 솔레노이드(64)에 의해 제조된다. 각 솔레노이드(64)는 전형적으로 여러 개의 코일로 구성되어, 자기장이 플라즈마 챔버(61)내의 위치의 함수로서 조정될 수 있도록 한다. 솔레노이드(64)의 미세 조정이 수행되어 빔전류를 최대화하고 빔 노이즈를 최소화할 수 있다.
가스 전달 시스템(69)은 전형적으로 플라즈마 챔버(61)로 가스 흐름을 전달한다. 일 실시예에서, 이 가스 흐름은 분당 몇 표준 세제곱 센티미터만큼 작다. 가스 흐름은 조절기(regulator, 70)로부터 올 수 있다. 다른 낮은 압력 가스 소스는 예를 들어 '안전 전달 시스템(Safe Delivery System)' 용기(container) 또는 당업자에게 공지된 다른 소스와 같은 것이 사용될 수 있다.
이온은 마이크로파 전력이 도입된 플라즈마 챔버(61)의 반대쪽 끝에서 일반적으로 추출된다. 따라서, 이온은 유전창(63)의 반대에서 일반적으로 추출된다. 추출 전극 어셈블리(65)는 전형적으로 연강(mild steel)으로 제조되어 플라즈마 개구(66)의 하부 영역에서 임의의 가장자리 전기장을 최소화하도록 하지만, 추출 전극 어셈블리(65)는 당업자에게 공지된 다른 재료로 제조될 수 있다.
리턴 강(return steel)(71)이 몇몇 실시예에서 추출 전극 어셈블리(71)에 포함될 수 있다. 리턴 강(71)은 플라즈마 챔버(61)에 대하여 내부적인 강한 자기장을 단락할 것이다. 리턴 강(71)은 연강으로 이루어지고 필드 선(field line)을 포착(capture)할 것인데, 필드 선이 진공보다는 연강을 통과할 것이기 때문이다. 리턴 강(71)은 이온이 플라즈마 챔버(61)로부터 나타날 때 이온을 편향시킬 추출 영역 근처의 임의의 자기장을 방지하는 것을 돕는다. 몇몇 실시예에서, 추출 전극 어셈블리(65)는 억제 및 접지 전극을 또한 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, RF 이온 소스가 이온빔 소스(11)에 대하여 사용될 수 있다. 이 RF 이온 제너레이터는 당업자에게 공지된 무선 주파수로 구동되는 플라즈마를 생성한다. 이는 플라즈마 생성 챔버 외부의 외부 안테나 또는 플라즈마 생성 챔버 내부의 내부 안테나 중 어느 하나일 수 있다. 일 실시예에서, RF 이온 소스는 유도적으로 결합된다.
도 4는 정전기 척의 일 실시예를 도시한다. 척(32)은 정전기력을 사용하여 작업대상물(26)을 고정시키고 지지하는데 사용된다. 이 실시예에서, 척(32)은 단일 작업대상물(26)을 위하여 배열된다. SOI 주입은 100℃ 이상의 주입을 위하여 배열되는 척(32)과 같은 척을 전형적으로 필요로 한다. 몇몇 실시예에서, 척(32)은 이러한 온도에서 보잉(bowing)을 최소화하거나 제거하도록 설계된다.
이 실시예에서, 척(32)은 유전층(81) 및 전기적으로 도전된 전극(82,83)을 갖는다. 두 개의 전극(82,83)이 도시되었지만, 척(32)은 하나의 전극 또는 두 개이상의 전극을 가질 수 있다. 전극(82,83)은 DC 또는 AC 전원(84)에 전기적으로 접속될 수 있다.
척(32)과 같은 정전기 척은 일반적으로 Coulombic 또는 Johnsen-Rahbek 유형중 어느 하나로 분류될 수 있다. 하나의 척은 Coulombic 또는 Johnsen-Rahbek 유형 모두를 통합할 수 있다. 척의 각 유형은 작업대상물(26)과 전극(82,83) 사이에 위치된 유전층(18)을 가질 수 있다. AC 또는 DC 전압이 전극(82,83)에 인가될 수 있다.
유전층(81)은 알루미나와 같은 세라믹 재료를 포함하되 이에 한정되지 않는 다양한 절연 재료로 제조될 수 있다. Coulombic 척에 대한 유전층은 전하 이동을 허락하지 않도록 배열되어, Coulombic 척상의 전하가 전극 및 클램프된 작업대상물상에 항상 있도록 한다. 대비적으로, Johnsen-Rahbek 척에 대한 유전층은 유전층 주위에서 전하 이동을 허락하도록 구성된다. 유전층의 두께, 표면 형상, 및 유전층의 표면 거칠기(roughness)가 Johnsen-Rahbek 척에서 전하 이동에 영향을 주는 요소일 수 있다. 유전층 주위의 이 전하 이동은 작업대상물-유전 인터페이스에서 전하의 축적으로 인도한다. 반대 전하 사이의 거리가 Coulombic 척에 비해 Johnsen-Rahbek 척에서 더 작기 때문에, Johnsen-Rahbek 에서 클램핑 압력이 동일한 클램핑 전압에 대하여 더 크다.
전형적으로, 도핑 수준은 척(32)이 작동하는 온도 범위를 결정한다. 척(32)이 Johnsen-Rahbek 유형 척이라면, 도핑 수준은 변경될 수 있고, Johnsen-Rahbek 효과가 상이한 온도에서 작용하고 유전층(81)은 정확한 전류 범위를 처리하도록 한다. 예를 들어, O+ 주입은 대략 400℃ 및, 터치업 주입에 대하여 또한 대략 50℃에서 행해질 수 있다. 다른 예시로서, H+ 주입은 실온에서 행해질 수 있다. 따라서, 주입은 Johnsen-Rahbek 효과를 허락하도록 구성될 수 있다.
대략 1 kV의 클램핑 전압으로, Johnsen-Rahbek 유형 척은 30 내지 50 토르(torr) 범위에서 후면 가스 압력을 허락한다. 이 범위는 20kW 산소 이온(O+) 빔을 허락하여 400℃의 작업대상물(26) 온도를 유지하도록 하는데, 이 온도는 SIMOX 주입에 대체로 적절하다. 이는 후면 가스를 갖는 척에 대한 가스 압력에 대한 온도의 비교의 예시로서 도 5에 도시된다.
도 6은 후면 가스 열적 결합을 수행할 수 있는 척의 일 실시예이다. 척(32)은 몇몇 실시예에서 후면 가스 장치를 가질 수 있어 후면 가스 열적 결합을 수행한다. 여기에서, 가스 원자 또는 분자(87)는 작업대상물(26)과 척(32) 사이를 흐른다. 가스 원자 또는 분자(87)는 척(32)의 표면을 가격하고 척(32)의 온도에 상응하는 병진 및 회전 에너지를 획득한다. 척(32)의 온도에 상응하는 이 에너지는 원자 또는 분자(87)와 가격된 표면 사이의 경험된 결합을 설명하는 수용 계수(accommodation coefficient)를 사용하여 설명될 수 있다. 수용 계수는 (자유도(degree of freedom)와 같은) 원자 또는 분자(87)의 상세함 및 (거칠기 또는 점착(sticking)계수와 같은) 가격된 표면의 상세함에 따라 다르다.
열중성자화된(thermalized) 원자 또는 분자(87)는 그 후에 작업대상물(26)과 척(32) 사이의 갭을 통과한다. 작업대상물(26)과 척(32) 사이의 거리가 원자 또는 분자(87)의 평균 자유행로(mean free path), 또는 충돌 사이를 여행하는 평균 거리에 비하여 작다면, 갭을 가로지르는 이동은 직접적일 것이다. 원자 또는 분자가 작업대상물(26)에 도달할 때, 동일한 열중성자화 공정이 작업대상물(26)로 발생할 것이다. 작업대상물(26)이 척(32)보다 더 뜨겁다면, 원자 또는 분자(87)는 작업대상물(26)로부터 에너지를 흡수할 것이다. 척(32)이 작업대상물(26)보다 더 뜨겁다면, 그 후에 원자 또는 분자(87)가 척(32)으로부터 에너지를 흡수할 것이다. 원자 또는 분자(87)가 작업대상물(26)과 척(32) 사이를 이동함에 따라, 두 개의 표면은 동일한 온도가 된다. 이 방식으로, 작업대상물(26)은 가열되거나 냉각 중 어느 하나가 될 수 있다. 가스 원자 또는 분자(87) 사이의 많은 충돌이 있다면 이 열 이동은 덜 효율적이 될 수 있는데, 원자 또는 분자가 그 후에 서로 사이의 에너지를 공유할 것이기 때문이다. 일 실시예에서, 작업대상물(26)은 대략 300℃과 600℃ 사이로 가열 또는 냉각된다.
하나의 예시에서, 대략 15 토르에서, N2 분자에 대한 평균 자유행로는 약 20 ㎛ 이다. 더 높은 가스 압력은 작업대상물(26)과 척(32) 사이의 열을 이송하는 더 많은 원자를 뜻할 것이나, 또한 더 짧은 평균 자유행로를 뜻할 것이다. 따라서, 낮은 압력에서, 열 이송은 가스 압력에 비례적이다. 압력이 평균 자유 행로가 척-작업대상물 분리까지 내려가는 지점까지 상승하면, 상기 증가는 내려가기 시작할 것이다. 더 높은 압력이 작업대상물(26)을 척(32)에 더 가까이 유지함으로써 사용될 수 있다. 대부분 경우에서, 클램핑 압력은 후면 가스 압력보다 높아야만 한다.
척에 대한 외부 열원은 작업대상물(26)을 가열하는데 또한 사용될 수 있다. 도 7은 램프를 사용하여 웨이퍼를 가열하는 장치의 일 실시예이다. 작업대상물(26)과 척(32) 사이의 인터페이스는 이 실시예에서 후면 가스가 있거나 없이 작동될 수 있다.
작업대상물(26)은 많은 열을 반사하거나 흡수한다. 어떤 열은 전송되나, 척(32)의 유전성은 작업대상물(26)만큼 뜨겁지 않을 것이다. 열원은 우시오(Ushio)가 제조한 2kW QIH-240-2000와 같은 적어도 하나의 램프(90)일 수 있다. 열원은 또한 다양한 파장의 레이저일 수 있다. 예를 들어, 적외선이 작업대상물(26)을 가열하기 위하여 작업대상물(26)에 의해 효율적으로 흡수되는 파장에서 선택될 수 있다.
이 실시예에서, 램프 어레이(91)는 3개의 램프(90)로 도시된다. 다른 실시예는 11개의 램프(90)을 갖고 작업대상물(26)을 골고루 가열하도록 한다. 이들은 서로 위에 정렬되는 선형 램프이나, 그들은 환형 벌브(circular bulbs)일 수 있고 환형 어레이 또는 당업자에게 공지된 다른 구성으로 정렬될 수 있다. 램프(90)는 반사경(reflectors, 92) 앞에 장착된다.
이 실시예에서, 램프(90)는 리본빔(24) 탄도 아래이고, 작업대상물(26)이 수직 위치에 있을 때, 작업대상물(26)을 가열한다. 수평적 가열 배향이 선택되어, 작업대상물(26)이 디클램프되어(declamped), 후면 손상을 완하시키도록 한다. 램프(90)는 리본 빔(24) 위에, 리본 빔(24) 위 및 아래 모두에 있을 수 있거나, 리본 빔(24)이 작업대상물(26)에 부딪치는(hit) 것처럼 동일한 장소에 열을 비칠 수 있다. 이온 주입은 이 실시예에서 리본빔(24)을 사용하여 수행되지만, 동일한 공정이 이온 주입의 다른 형태로 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 램프(90)는 작업대상물(26)을 대략 300℃과 600℃ 사이로 가열한다.
포토레지스트(photoresist) 잔류물(residue)이 규칙적 주입 동안 램프(90)를 코팅할 수 있다. 이는 뜨거운 주입 동안 발생하지 않을 수 있는데, 폴리머 기반 포토레지스트가 100℃ 위로 분해되는 동안 고형 마스크가 사용될 수 있기 때문이다. 이 문제를 피하기 위하여, 몇몇 실시예에서, 램프 어레이(91)는 종래의 실온 주입을 수행하기 위한 커버(covers)를 가질 수 있거나, 기계적으로 이동하여, 기체를 빼는 포토레지스트로부터의 증기가 램프(90) 또는 반사경(92)상에 응결할 수 없다. 램프(90)는 일 실시예에서, 램프(90) 또는 반사경(92)상에 증착된 오염물(contamination)을 태워 제거하기 위하여 가열되도록 배열될 수 있다. 대안적으로, 램프(90)의 온도는, 다른 실시예에서, 증기가 응결되는 온도 위로 연속적으로 유지될 수 있다.
작업대상물(26)은 척(32)상에 배치된다. 척(32)은, 이 실시예에서, 방향(94)에서 스캐너 메카니즘(93)에 의해 병진된다. 방향(94)은 작업대상물(26) 및 척(32)을 리본빔(24)의 경로부터 램프 어레이(91)에 의해 가열하기 위해 사용되는 위치로 이동할 것이다.
본원에 채택된 용어 및 표현은 설명의 용어로 사용되고 한정의 용어로 사용되지 않는다. 이러한 용어 및 표현의 사용에서 도시되고 설명되는 특징 (또는 이들의 부분)의 임의의 등가물을 배제할 의도가 없고, 다양한 개조가 청구범위내에서 가능하다는 것이 인지된다. 다른 개조, 변형, 및 대안이 또한 가능하다. 따라서, 상술한 설명은 예시로만이고 한정하려고 의도되지 않는다.

Claims (25)

  1. 산소 및 질소로 구성된 그룹으로부터 선택된 이온들을 1E17 내지 4E17 cm- 2 의 산소, 1 내지 3E15 cm- 2 의 산소, 및 1E17 내지 2E18 cm- 2 의 질소로 구성되는 그룹으로부터 선택된 도우즈(dose) 범위를 갖는 이온 빔으로 발생시키도록 구성되는 이온빔 소스;
    상기 이온 빔으로부터 바람직하지 않은 종을 제거하도록 구성되는 분석기 자석; 및
    후면 가스 열적 결합을 갖고, 상기 도우즈 범위를 갖는 상기 이온 빔에 의한 절연체상 실리콘 주입용 단일 작업대상물을 유지하도록 구성되고, 상기 작업대상물을 300℃ 내지 600℃의 범위의 온도로 냉각시키도록 구성되는 정전기 척(chuck)을 포함하는 이온 주입기.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 이온 빔은 리본 빔이고 상기 정전기 척은 상기 단일 작업대상물의 1차원 스캔을 수행하도록 구성되는 이온 주입기.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 이온빔 소스는 간접 가열된 캐소드 이온 소스를 포함하는 이온 주입기.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 이온 빔 소스는 마이크로파 이온 소스를 포함하는 이온 주입기.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 이온빔 소스는 유도적으로 결합된 RF 이온 소스를 포함하는 이온 주입기.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 이온 주입기는 300℃ 내지 600℃의 범위의 온도로 주입 전에 상기 단일 작업대상물을 예열하도록 구성되는 이온 주입기.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 정전기 척은 상기 단일 작업대상물을 예열하도록 구성되는 이온 주입기.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 이온 주입기는 상기 단일 작업대상물을 예열하도록 구성되는 적어도 하나의 램프를 더 포함하는 이온 주입기.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 후면 가스 열적 결합은 적어도 15 토르 후면 가스 압력을 제공하는 이온 주입기.
  10. 수소 및 헬륨으로 구성된 그룹으로부터 선택된 이온들을 5E15 내지 8E16 cm-2 의 수소 및 5E15 내지 8E16 cm- 2 의 헬륨으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 도우즈(dose) 범위를 갖는 이온 빔으로 발생시키도록 구성되는 이온빔 소스;
    상기 이온 빔으로부터 바람직하지 않은 종을 제거하도록 구성되는 분석기 자석; 및
    후면 가스 열적 결합을 갖고, 상기 도우즈 범위를 갖는 상기 이온 빔에 의한 절연체상 실리콘 주입용 단일 작업대상물을 유지하도록 구성되고, 상기 작업대상물을 300℃ 내지 600℃의 범위의 온도로 냉각시키도록 구성되는 정전기 척(chuck)을 포함하는 이온 주입기.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 이온 빔은 리본 빔이고 상기 정전기 척은 상기 단일 작업대상물의 1차원 스캔을 수행하도록 구성되는 이온 주입기.
  12. 청구항 10에 있어서, 상기 이온빔 소스는 간접 가열된 캐소드 이온 소스를 포함하는 이온 주입기.
  13. 청구항 10에 있어서, 상기 이온 빔 소스는 마이크로파 이온 소스를 포함하는 이온 주입기.
  14. 청구항 10에 있어서, 상기 이온빔 소스는 유도적으로 결합된 RF 이온 소스를 포함하는 이온 주입기.
  15. 청구항 10에 있어서, 상기 이온 주입기는 300℃ 내지 600℃의 범위의 온도로 주입 전에 상기 단일 작업대상물을 예열하도록 구성되는 이온 주입기.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 정전기 척은 상기 단일 작업대상물을 예열하도록 구성되는 이온 주입기.
  17. 청구항 15에 있어서, 상기 이온 주입기는 상기 단일 작업대상물을 예열하도록 구성되는 적어도 하나의 램프를 더 포함하는 이온 주입기.
  18. 청구항 10에 있어서, 상기 후면 가스 열적 결합은 적어도 15 토르 후면 가스 압력을 제공하는 이온 주입기.
  19. 5E15 내지 8E16 cm-2 도오즈에서 수소, 5E15 내지 8E16 cm-2 도우즈에서 헬륨, 1E17 내지 4E17 cm-2 도우즈에서 산소, 1 내지 3E15 cm-2 도우즈에서 산소, 및 1E17 내지 2E18 cm-2 도우즈에서 질소로 구성된 그룹으로부터 선택된 이온 빔을 발생시키는 단계;
    바람직하지 않은 종을 제거하기 위하여 이온 빔을 분석하는 단계;
    후면 가스 열적 결합을 갖는 정전기 척상 절연체상 실리콘 제조를 위한 단일 작업대상물을 실질적으로 유지하는 단계;
    상기 단일 작업대상물에 상기 이온 빔을 주입하는 단계; 및
    상기 단일 작업대상물을 상기 정전기 척을 사용하여 300℃ 내지 600℃의 범위의 온도로 냉각하는 단계를 포함하는 단일 웨이퍼 이온 주입기에서 절연체상 실리콘 주입을 위한 방법.
  20. 청구항 19에 있어서, 상기 이온 빔은 간접 가열되는 캐소드 이온 소스로 발생되는 단일 웨이퍼 이온 주입기에서 절연체상 실리콘 주입을 위한 방법.
  21. 청구항 19에 있어서, 상기 이온 빔은 마이크로파 이온 소스로 발생되는 단일 웨이퍼 이온 주입기에서 절연체상 실리콘 주입을 위한 방법.
  22. 청구항 19에 있어서, 상기 이온빔은 유도적으로 결합된 RF 이온 소스로 발생되는 단일 웨이퍼 이온 주입기에서 절연체상 실리콘 주입을 위한 방법.
  23. 청구항 19에 있어서, 상기 단일 작업대상물을 상기 정전기 척을 사용하여 300℃ 내지 600℃의 범위의 온도로 예열하는 단계를 더 포함하는 단일 웨이퍼 이온 주입기에서 절연체상 실리콘 주입을 위한 방법.
  24. 청구항 19에 있어서, 상기 단일 작업대상물을 적어도 하나의 램프를 사용하여 300℃ 내지 600℃의 범위의 온도로 예열하는 단계를 더 포함하는 단일 웨이퍼 이온 주입기에서 절연체상 실리콘 주입을 위한 방법.
  25. 청구항 19에 있어서, 상기 이온빔은 리본빔이고 상기 단일 작업대상물에 상기 리본 빔을 주입하는 단계는 상기 작업대상물의 1차원 스캔에 의해 수행되는 단일 웨이퍼 이온 주입기에서 절연체상 실리콘 주입을 위한 방법.
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