KR20100113531A - 이온 소스 가스 반응기 - Google Patents
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Abstract
가스 반응 챔버를 포함하는 이온 소스가 개시된다. 본 발명은 또한 공급 물질을 가스 반응 챔버에 공급함으로써 기체 공급 물질을 테트라머, 다이머, 다른 분자 또는 원자 종류로 변환하는 방법을 포함하며, 상기 공급 물질은 이온 소스에 공급될 적절한 가스 종류로 변환되고, 이온화된다. 더 구체적으로, 가스 반응 챔버는 AsH3 또는 PH3과 같은 기체 형태의 수소화물 및 다른 공급 물질을 수용하고, 이온 주입에 사용하기 위한 다양한 분자 및 원자 종류(이전에 알려지지 않음)를 생성하도록 구성된다. 본 발명의 일실시예에서, 가스는 생성된 분자 또는 원자 종류의 비교적 적절한 제어를 제공하도록 비교적 균일하게 가열된다. 본 발명의 대안적인 실시예에서, 가스 반응 챔버는 공급 가스를 수소화물과 같은 주입에 요구된 상이한 소스 가스 종류로, 테트라머 분자로 변환하기 위해 촉매 표면을 이용한다. 또 다른 실시예에서, 가스 반응 챔버는, 적절한 온도로 상승된 W, Ta, Mo, 스테인리스 스틸, 세라믹 붕소 질화물 또는 다른 내화 금속과 같은 유리 또는 금속을 포함하는 적절한 물질의 존재시 촉매(또는 피롤리틱) 반응이 발생하도록 구성된다.
Description
본 출원은 본 명세서에 참고용으로 병합된, 2008년 1월 22일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/022,562의 이익을 주장한다.
본 발명은 반도체의 이온 주입시 사용하기 위한 이온 소스를 공급하는 가스 반응 챔버에 관한 것으로, 더 구체적으로, 기체 물질을 이온 빔 생성을 위한 특정 가스 공급 물질로 변환하는, 예를 들어 분자 가스 물질을 다른 분자 또는 원자 종류로 변환하는 가스 반응 챔버에 관한 것이다.
이온 주입은 집적 회로(IC)의 제조시 핵심적으로 가능한 기술이다. 논리 및 메모리 IC의 제조시, 이온은 예를 들어 실리콘 및 GaAs 웨이퍼로 형성된 기판에 주입되어, 트랜지스터 접합을 형성한다. 이온은 또한 pn 접합의 웰(well) 영역을 도핑하도록 주입된다. 이온 에너지를 변화시킴으로써, 기판으로의 이온의 주입 깊이는 제어될 수 있어서, 이온 주입에 의해 도입된 불순물 농도의 3차원 제어를 허용한다. 불순물 농도는 트랜지스터의 전기적 특성을 제어하여, IC의 성능을 제어한다.
다수의 상이한 전기적 활성 물질은 As, B, P, In, Sb, Bi 및 Ga를 포함하는 불순물 물질로서 사용되는 것으로 알려져 있다. 이들 많은 물질은 예를 들어 AsH3, PH3, BF3 및 SbF5와 같은 기체 형태로 이용가능하다.
알려진 이온 주입기는, 불순물-함유 공급 물질을 이온화하고(예를 들어, 종래 기술에 잘 알려진 바와 같이, 아크 플라즈마, 전자 충격, RF 또는 극초단파에 의해) 해당 불순물 이온을 추출하는 제조 공구이고; 불순물 이온을 원하는 에너지로 가속하고; 바람직하지 않은 종류를 필터링 제거하고; 그런 후에 해당 불순물 이온을 웨이퍼로 전달한다. 원하는 주입 프로파일을 달성하기 위해, 다음 변수는 주어진 주입 공정 동안 제어되어야 한다:
- 불순물 공급 물질(예를 들어, BF3 가스)
- 불순물 이온(예를 들어, B+)
- 이온 에너지(예를 들어, 5keV)
- 이온 빔의 화학적 순도(예를 들어, <1% 오염물)
- 이온 빔의 에너지 순도(예를 들어, <2% FWHM)
- 주입 동안 이온 선량, 온도 및 각도 균일성.
이온 주입 기술에서 매우 중요한 영역은 이온 소스이다. 상업적 이온 소스에 대한 "표준" 기술, 즉 "개선된 버나스(Enhanced Bernas)" 이온 소스는 잘 알려져 있다. 이러한 유형의 소스는 통상적으로 고전류, 고 에너지, 및 중간 전류 이온 주입기에 사용된다. 이온 소스는 예를 들어, 웨이퍼 냉각을 위한 진공 공급-쓰루(feed-throughs)를 또한 수용할 수 있는 장착 플랜지, 열전쌍, 불순물 가스 공급, N2 냉각 가스, 및 전력을 통해, 이온 주입기의 진공 시스템에 장착된다. 공급 가스는, 가스가 크랙킹(cracked)되거나 이온화되어 불순물 이온을 형성하는 소스 아크 챔버에 공급된다.
공급 가스는 종종 정상 상태 하에서 가스인 물질이다. 몇몇 경우에, 가스 공급은 고온 고체 물질로부터 도출된다. 이들 경우에, 가스 공급 시스템은 이온화를 위해 이온 소스 챔버로의 도입을 위한 가스로 변환될 고체 공급 물질의 유형에 따라 증발기 또는 오븐을 포함한다. 증발기 또는 오븐(이후부터 "증발기"로 지칭됨)이 일반적으로 제공되며, 여기서 As, Sb2O3, B18H22, B10H14, C14H14, C16H10 및 P와 같은 고체 공급 물질이 증발된다.
종래 기술에 알려진 일례에서, 오븐, 가스 공급부, 및 냉각 라인은 냉각 기계 가공된 알루미늄 블록 내에 포함된다. 100℃ 내지 800℃에서 동작하는 증발기가 활성화되는 동안 알루미늄 블록의 온도 편위(excursion)를 한정시키고, 또한 소스가 활성화될 때 아크 챔버에 의해 복사 가열을 중화시키기 위해 수냉이 필요하다. 아크 챔버는 알루미늄 블록에 장착되지만, 알루미늄 블록과 불량한 열적 접촉 상태에 있다.
전형적으로, 버나스-유형 이온 소스는 이온 주입 기기에 사용되어 왔다. 버나스-유형 이온 소스는 고온 플라즈마 또는 아크 방전 소스로서 알려져 있고, 일반적으로 전자 방출기, 즉 노출된 필라멘트 캐소드 또는 간접-가열된 캐소드를 병합한다. 이러한 유형의 소스는 자기장에 의해 한정되는 플라즈마를 생성한다. 최근에, 클러스터 주입 이온 소스는 이온 주입 기기 시장에 도입되어 왔다. 이들 클러스터 이온 소스는, 형태 Asn *, Pn *, CnHm 또는 BnHm *(여기서 n 및 m은 정수이고, m,n≥1)의 이온을 포함하는 분자 형태의 불순물 원자의 "클러스터", 또는 집성체(conglomerates)를 생성하도록 설계되었다는 점에서 버나스-형태 소스와 다르다. 그러한 이온화된 클러스터는 기판의 표면에 훨씬 더 가까이 주입되고 단량체(n=1, m=0) 집성체에 상대적으로 더 높은 선량율로 주입될 수 있다. 그러므로, 클러스터 이온 소스는 예를 들어, 65nm, 45nm, 또는 32nm 세대의 트랜지스터 디바이스에서, 초박형 p-n 트랜지스터 접합을 형성하기 위해 많은 관심을 받는다. 예를 들어, 클러스터 주입 방법 및 클러스터 이온 소스는 모두 본 명세서에 참고용으로 병합된 미국 특허 6,452,338; 6,686,595; 6,744,214 및 7,107,929에 구체적으로 기재되어 있다. 이들 클러스터 이온 소스는 이온 빔을 생성할 때 이온 소스에 도입된 공급 가스의 모 분자를 확보한다(또는 상이한 종류의 모 분자를 이용하는데, 예를 들어 C14H14는 C7H7로 변환된다). 반도체 디바이스의 제작시 이온 주입을 위한 주입 물질로서 As4 +, P4 + 또는 P7 +의 이용은 참고용으로 병합된 출원인의 양수인의 계류중인 미국 특허 출원 번호 60/856,994에 개시되어 있다. 주입에 사용하기 위한 다른 물질은 CnHm 및 As7을 포함할 수 있다.
전술한 특허들과 같은 종래 기술에 개시된 증발기는, 실온에서 비교적 높은 증발 압력을 가져서 약 100℃의 온도로 증발하는 데카보란(B10H14), C14H14, C16H10, B18H22 및 TMI(트리메틸 인듐)와 같은 고체 물질을 증발시키는데 적합하다. 버나스 유형 소스와 전형적으로 연관된 오븐은 일반적으로 이온 소스로의 도입을 위해 가스로 변환될 공급 물질로 인해, 100℃보다 높은 온도, 예를 들어 100℃ 내지 800℃의 온도에서 동작한다.
종래 기술에 알려진 바와 같이, 기체 물질은 이온 소스 챔버에 직접 공급될 수 있지만, 기체 형태로 반도체 제조 목적과 연관된 해당 공급 물질은 한정된다. 비소 및 인과 같은 공급 물질에 관해, 기체 형태, 예를 들어 수소화물은 단량체 원자 주입 목적에 사용하기 위해 이용가능하다. 그러나, 테트라머(tetramer) 빔은 반도체 제조 설비의 동작 효율에 관해 흥미있는 것으로서 보여져 왔고, 또한 공정 이익을 제공할 수 있다. 현재, As4, P4 등과 같은 테트라머는 표준 버나스 유형 소스에서 생성되기 어렵다.
버나스 유형 이온 소스에서의 공급 물질로서 사용되는 AsH3 및 PH3과 같은 기체 공급 물질의 경우에, 단량체 형태의 불순물 분자는 이온화 챔버에서 이용가능하므로, 테트라머 분자의 형성은 억제되는 것으로 알려져 있다. 테트라머가 형성되는 만큼, 이온화 챔버의 벽 상에 증착된 금속 As(또는 P)로 형성될 가능성이 있고, 이것은 테트라머를 형성한다. 챔버 벽은 오븐에 사용된 통상 350-400℃ 증발 온도에 대해 매우 고온이거나 저온일 가능성이 있어서, 벽은 예를 들어 As4 또는 P4와 같은 테트라머 분자의 매우 많거나 반복가능한 소스가 아니다.
현재, 테트라머 분자를 생성하기 위한 가장 활성적인 소스는 고체 비소(As) 또는 고체 인(P)으로 350-400℃에서 동작하는 증발기 오븐인 것으로 알려져 있다. 이러한 방법의 주 결점은 많으며, 다음을 포함한다:
- 오븐을 적재할 때 유독성 또는 가연성 물질을 다루기 위한 요구;
- 시스템 및 공구 처리량의 전체 반응에 영향을 주는, 물질의 가열 및 냉각 시간의 느려짐;
- 시스템의 비-반복능력, 즉 상이한 온도는 종종 오븐 수명에서 공급 물질의 공급과 동일한 동작 압력에 도달하는데 필요하고, 그 압력은 고체 공급 물질 표면(예를 들어, 천연적인 산화 층)의 특성 또는 심지어 예측불가능한 시간에 방출하는 가스의 트랩(trapped)된 볼륨에 따라 짧은 시간 기간에 걸쳐 변할 수 있다;
- 챔버로의 오븐 입력의 세척이 필요할 때 동작 시간에 영향을 주는, 진공 표면상의 비-휘발성, 유독성 또는 가연성 금속의 증착;
- 제어, 즉 이온 소스 챔버로의 테트라머 물질 흐름의 턴 온(turn on) 및 차단을 쉽게 할 수 없음.
분자 빔 애피택시(MBE) 기기는 알려져 있으며, 이러한 분자 빔 애피택시 기기는 공급 물질로서 수소화물 기체를 이용한다. 예를 들어, (1981), 38(9), Calawa, A.R.의 Applied Physics Letters, 701-703페이지; (1992) 10(1), Shiralagi, K.T., J. Vac . Sci . Technol, 46-50페이지; (1986) 12, Panish, M.B.의 Prog. Crystal Growth and Charact. 1-28페이지; 1998 B7(2) Mar/Apr, J.Vac.SCi.Techno. C.Lohe 및 C.D. Kohl의 "Dimer and Tetramer Formation in an AsH3 Cracker Studied by Calibrated Quadrupole Mass Spectrometry"; 및 USA, MN, St. Paul, MBE Operations, Compound Semiconductor, Veeco의 "Gas Crackers"를 참조하자.
그러한 시스템에서, 기체 형태의 수소화물은 공급 물질로서 사용된다. 해당 분자 및 원자 종류를 생성하기 위해, "크랙커"는 수소화물 기체 물질을 다양한 분자 및 원자 종류로 "크랙킹"하기 위해 알려져 있다. 그러한 "크랙커"는 오븐 또는 화덕(furnaces)인 것으로 알려져 있는데, 이것은 800 °K 내지 1300°K 범위의 온도로 동작하고, 수소화물 기체를 가열하여 고체 As 물질의 경우에 H2, As4, As2, As, AsH, 및 AsH3을 포함하는 다양한 분자 및 원자 종류를 생성한다.
기체 공급 물질(AsH3 및 PH3)의 경우에, 주로 단량체 형태는 이온화 챔버에서 이용가능하므로, 4-겹(four-fold) 테트라 분자의 형성이 억제된다. 그것이 발생하는 만큼, 이 후에 테트라머를 형성하는 벽 상에 증착된 금속 As(또는 P)일 가능성이 있다. 챔버 벽은 오븐에 사용된 통상적인 350-400℃ 증발 온도에 관해 매우 고온이거나 매우 저온일 가능성이 있어서, 벽은 테트라머 분자(As4 또는 P4)의 매우 많거나 반복가능한 소스가 아니다. 현재, 테트라머 분자의 가장 활성적인 소스는 럼프(lump) As 또는 인으로 350-400℃에서 동작하는 고체 오븐이다.
이 방법의 주요 결점은 많으며, 이러한 결점은, 오븐을 적재할 때 유독성 또는 가연성 물질을 다루기 위한 요구; 시스템 및 공구 처리량의 전체 반응에 영향을 주는, 물질의 가열 및 냉각 시간의 느려짐; 시스템의 비-반복능력, 즉 상이한 온도는 종종 오븐 수명에서 공급 물질의 공급과 동일한 동작 압력에 도달하는데 필요하고, 그 압력은 고체 공급 물질 표면(예를 들어, 천연 산화 층)의 특성 또는 심지어 예측불가능한 시간에 방출하는 가스의 트랩된 볼륨에 따라 짧은 시간 기간에 걸쳐 변할 수 있다; 챔버로의 오븐 입력의 세척이 필요할 때 동작 시간에 영향을 주는, 진공 표면상의 비-휘발성, 유독성 또는 가연성 금속의 증착; 제어, 즉 이온 소스 챔버로의 테트라머 물질 흐름의 턴 온(turn on) 및 차단을 쉽게 할 수 없음을 포함한다.
원자 비소를 생성하기 위해, 특허 '407에 개시된 시스템은 2가지 단계 공정을 이용하는데, 이러한 공정은 원하는 원자 종류를 달성하기 위해 분무기를 포함하는 "크랙커" 및 증발기 오븐을 포함한다. 더 구체적으로, 비소 원자는 2가지 단계로 생성된다. 제 1 단계에서, 승화기는 고체 비소를 증발하여, 비소 테트라머 및/또는 다이머(dimers)의 분자 빔을 생성한다. 분자 빔 소스는 As4로부터 As2를 생성하기 위해 크랙커를 선택적으로 포함할 수 있다. 제 2 단계에서, 분자 빔은 분무기라 지칭되는 가열 요소의 표면상에 충돌하여, 비소 원자를 함유하는 출력 빔을 생성한다.
특허 '407에 개시된 시스템은 여러 가지 단점을 갖는다. 예를 들어, 이러한 시스템은 2가지 단계를 요구한다. 이 시스템은 또한 크랙커 이외에 증발기를 요구하고, 수소화물 기체 물질과 함께 사용하는데 부적합하다.
따라서, 개별적인 증발기 오븐을 필요로 하지 않고도 단일 단계로 달성될 수 있는 테트라머 소스 물질을 생성하기 위해 수소화물 기체와 함께 사용하기 위한 시스템이 필요하며, 이것은 수소화물 기체를 다양한 분자 및 원자 종류로 변환하는 종래 기술의 방법과 연관된 문제를 해결한다.
간략하게, 본 발명은 가스 반응 챔버를 포함하는 이온 소스에 관한 것이다. 본 발명은 또한 공급 물질을 가스 반응 챔버에 공급함으로써 기체 공급 물질을 테트라머, 다이머, 다른 분자 또는 원자 종류로 변환하는 방법을 포함하며, 여기서 공급 물질은 이오 소스에 공급되고 이온화될 적절한 가스 종류로 변환된다. 더 구체적으로, 가스 반응 챔버는 AsH3 또는 PH3와 같은 기체 형태의 수소화물 및 다른 공급 물질을 수용하고, 이온 주입에 사용하기 위한 다양한 분자 및 원자 종류(이전에 알려지지 않음)를 생성하도록 구성된다. 본 발명의 일실시예에서, 가스는 생성된 분자 또는 원자 종류의 비교적 정밀한 제어를 제공하도록 가열된다. 본 발명의 대안적인 실시예에서, 가스 반응 챔버는 촉매 표면을 이용하여, 수소화물과 같은 주입에 요구된 상이한 소스 가스 종류로의 공급 가스를 테트라머 분자로 변환한다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 가스 반응 챔버는, 촉매 또는 열역학 또는 피롤리틱 반응(본 명세서에서 촉매)이 W, Ta, Mo, 스테인리스 스틸, 세라믹, 붕소 질화물 또는 다른 내화 금속과 같은 유리 또는 금속을 포함하는 적절한 물질의 존재에서 발생하여, 적절한 온도로 상승되도록 구성된다.
본 발명은 종래 기술에 비해 다양한 장점을 제공한다. 예를 들어, 본 발명은, 기체 공급 물질이 안전하게, 그리고 공통적인 실시, 예를 들어 가스 실린더와 같은 안전 전달 시스템으로 쉽게 다루어지도록 한다. 본 발명은 또한, 공급 가스가 제거될 때 이온 소스 가스의 전달이 중단되기 때문에 반응 시작 및 차단 시간을 제공하는 것과, 전달율의 반복 능력이 가스 공급율에 따르기 때문에 양호하고 진공 시스템이 고체의 더 느린 가열 및 냉각보다는 공급 물질의 소스 물질로의 주문형 변환, 예를 들어 수소화물의 테트라머로의 변환으로 인해 이온화 챔버 및 진공 시스템에서의 고체 물질의 구축(build up)이 적어질 수 있다는 것을 포함하는 종래 기술과 연관된 문제들을 해결한다.
본 발명의 이들 및 다른 장점은 다음의 명세서 및 첨부 도면을 참조하여 쉽게 이해될 것이다.
도 1은 증발기를 포함하는 종래 기술의 이온 소스의 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 가스 반응 챔버 및 이온화 챔버를 공급하는 기존의 오븐의 일실시예를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 이온 및 가스 반응 챔버의 일실시예를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 가스 반응 챔버 및 이온화 챔버를 공급하는 기존의 오븐의 일실시예를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 이온 및 가스 반응 챔버의 일실시예를 도시한 개략도.
본 발명은 가스 반응 챔버 또는 반응기를 포함하는 이온 소스에 관한 것이다. 가스 반응 챔버는, 수산화물, 예를 들어 AsH3 또는 PH3의 기체 형태의 수소화물 공급 물질을 수용하고, 이온 주입에 사용하기 위한 다양한 분자 및 원자 종류(이전에 알려지지 않음)를 생성하도록 구성된다. 더 구체적으로, 가스 반응 챔버는 개별적인 증발기 오븐의 사용 없이도 단일 단계로 주입을 위해 수소화물(예를 들어, AsH3 또는 PH3)과 같지만 여기에 한정되지 않은 공급 가스를 테트라머(As4 또는 P4), 다이머 또는 다른 바람직한 단량체 또는 분자 종류로 변환한다.
도 1은 본 발명에 사용하기 위한 예시적인 이온 소스의 개략도이다. 이온 소스는 본 명세서에 참고용으로 병합된 미국 특허 7,107,929에 구체적으로 기재된다. 도 2는 본 발명에 따른 가스 반응 챔버 및 기존의 증발기 공급 이온화 챔버의 일실시예의 개략도이다. 도 3은 본 발명에 따라 이온 소스의 일실시예 및 가스 반응 챔버의 대안적인 실시예의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 참조 번호 1로 식별된 이온 소스는 저온 증발기(고온 오븐에 대조적으로)를 포함한다. 증발기(2)는 고리형의 열적 전도성 가스킷(4)을 통해 증발기 밸브(3)에 부착된다. 증발기 밸브(3)는 마찬가지로 장착 플랜지(7)에 부착되고, 이러한 장착 플랜지(7)는 추가의 고리형 열적 전도성 가스킷(6 및 6A)에 의해 이온화 챔버 바디(5)에 차례로 부착된다. 이것은 열적 전도성 요소를 통한 밀접한 접촉을 통해 증발기, 증발기 밸브, 및 이온화 챔버 바디(5) 사이의 양호한 열적 접촉을 보장한다. 이온화 챔버(5)에 부착된 장착 플랜지(7)는 예를 들어 이온 소스(1)를 이온 주입기의 진공 하우징에 장착하는 것을 허용하고, 이온 소스 및 냉각을 위한 수냉 공급 쓰루(8, 9)에 전력을 공급하기 위해 전기 공급 쓰루(미도시)를 포함한다. 출구 애퍼처(aperture) 플레이트(13)는 금속 나사(미도시)에 의해 이온화 챔버 바디(5)의 면에 장착된다.
증발기 밸브(3)가 개방 위치에 있을 때, 증발기(2)로부터의 증발된 가스는 증발기 밸브(3)를 통해 이온화 챔버(16)의 개방 볼륨으로의 입구 채널(15)로 흐른다. 이들 가스는, 예를 들어 전자 소스(12)로부터 전자 빔 덤프(11)로 전달된 전자 빔과 상호 작용함으로써 이온화된다. 이온화 챔버(16)에서 생성된 이온은 출구 애퍼처(37)에 의해 이온 소스(1)를 빠져나가고, 출구 애퍼처에서 이온은 일반적으로 종래 기술에 알려진 방법으로 이온 주입기의 이온 광학 기기(optics)에 의해 수집되고 전달된다.
증발기(2)의 바디는 액체, 예를 들어 고체 공급 물질을 함유하는 도가니(crucible)(18)를 둘러싸는 물 배쓰(water bath)(17)를 수용한다. 물 배쓰(17)는 저항성 히터 플레이트(20)에 의해 가열되고, 열 교환기 코일(21)에 의해 냉각되어, 물 배쓰를 원하는 온도로 유지한다. 열 교환기 코일(21)은 물 입력(22) 및 물 출구(23)에 의해 제공된 탈-이온화(de-ionized) 물에 의해 냉각된다. 가열 및 냉각 요소 사이의 온도차는 물의 대류 혼합을 제공하고, 자기 패들 교반기(24)는 증발기가 동작 상태에 있는 동안 물 배쓰(17)를 계속해서 젓는다. 열전쌍(25)은 PID) 증발기 온도 제어기(미도시)에 대해 다시 판독된 온도를 제공하기 위해 도가니(18)의 온도를 계속해서 모니터링한다. 이온화 챔버 바디(5)는 알루미늄, 그래파이트, 실리콘 카바이드, 또는 몰리브덴으로 만들어지고, 열 전도를 통해 증발기(2)의 온도 근처에서 동작한다. 저온 증발된 고체 이외에, 이온 소스는 가스 공급부(26)를 통해 가스를 수용할 수 있고, 이러한 가스 공급부(26)는 입구 채널(27)에 의해 이온화 챔버(16)의 개방 볼륨으로 직접 공급한다.
기체 공급 물질로 동작하기 위해, 이온 주입기는 일반적으로 이온 주입기 내의 가스 분배 시스템에 결합되는 가스 보틀(bottles)을 이용한다. 가스는 VCR 또는 VCO 설비(fitting)와 같은 밀봉된 가스 설비를 통해 이온 소스(1)에 직접 결합하는 금속 가스 공급 라인을 통해 이온 소스에 공급된다.
도 2는 본 발명의 일실시예로서, 예를 들어 수소화물 공급 가스로부터 테트라머 분자를 생성하도록 의도된 가스 반응 챔버(또는 크랙커)(100)를 도시한다. 고체 물질이 이온 소스를 위한 가스/증기 공급부를 제공하도록 가열되는 2개의 오븐 또는 2개의 증발기와 통상적으로 연관된 구성과 유사하게, 공통적인 이중 구성으로 종래 기술에 알려진 기존의 오븐 또는 증발기(2) 옆에 배치된다. 증발기/오븐(2)은 채널(15)에 의해 이온화 챔버(16)로 들어가는 고체 물질을 승화, 즉 증발시키는데 사용된다. 가스 반응 챔버(100)는 수소화물 기체와 같은 기체 공급 물질에 사용된다.
도 2에 도시된 실시예에서, 가스 반응 챔버(100)는 미도시된 이온 소스(1)의 이온화 챔버(16)로 공급하는 노즐(102)을 갖는 고리형 증발 챔버(101)를 포함한다. 이 실시예에서, 가스 반응 챔버(100)는 외부 표면상에 납땜될 수 있는 외부 코일(103)에 의해 가열된다.
열전쌍(121)을 포함하는 제어 시스템은 알려진 온도 제어 시스템(종래 기술에 잘 알려짐)에 의해 가스 반응 챔버(100)의 온도를 800℃보다 높은 온도로 제어하는데 사용될 수 있다. 가스 반응 챔버(100)는 반도체 설비 가스 공급부 또는 가스 보틀(미도시)에 결합될 수 있는 가스 공급 입구(104)를 포함한다. 가스 공급 입구(104)에 의해 분배된 가스는 알려진 가스 제어 시스템(또한 종래 기술에 잘 알려짐)에 의해 제어될 수 있다.
예를 들어 원통형 형태로 형성된 흐름 채널링(channeling) 디바이스(105)는 증발 챔버(101)의 볼륨 내에 배치될 수 있다. 흐름 채널링 디바이스(105)는 피롤리틱 붕소 질화물, 즉 pBN과 같은 금속, 유리 또는 세라믹으로 제조될 수 있다. 흐름 채널링 디바이스(105)가 증발 챔버(101) 내에 배치될 때, 고리형 가스 분배 플리넘(plenum)(120)은 가스 공급 입력(104)과 유체 연통하여(in fluid comunication with) 한정된다. 증발 챔버(101)의 내부 직경 및 흐름 채널링 디바이스(105)의 외부 직경은 고리형 가스 분배 플리넘(120)으로부터 가스를 위한 고리형 갭 또는 흐름 채널(107)을 생성하여, 가스가 증발 챔버(101)의 내부 측벽 주위에 균일하게 분배하도록 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 가열 코일(103)은 증발 챔버(101)의 외부 직경 주위에 배치된다. 이들 가열 코일(103)은 흐름 채널(107)에 균일하게 분배되는 가스를 가열 또는 "크랙킹"하는데 사용된다. 가스가 흐름 채널(107)에 균일하게 분배되기 때문에, 가스는 비교적 균일하게 가열된다. 가스를 균일하게 가열함으로써, 결과적인 종류는 원하는 분자 또는 원자 종류만을 포함하기 위해 가스의 가열을 제어함으로써 비교적 적절히 제어될 수 있다.
흐름 채널링 디바이스(105)는 이온화 챔버(16)로 연장하는 노즐(102)과 유체 연통하는 길이 방향 보어(106)를 포함한다. 가스가 가열 코일에 의해 가열되기 때문에, 가스는 팽창하고, 증발 챔버(101)의 내부 벽(111)과 수평 보어(106) 사이에 형성된 공동(110)에 흐른다. 가열된 가스는 노즐(102)에 의해 보어(106)를 통해 이온화 챔버(16)에 흐른다.
도 2에 도시된 가스 반응 챔버 디바이스(100)의 실시예는 증발 챔버(101), 흐름 채널링 디바이스(105) 및 노즐(102)을 포함한다. 이 실시예는 수소화물 기체와 같은 기체 공급 가스를 다른 분자 또는 원자 종류로 변환하는, 예를 들어 이온화를 위해 수소화물 공급 가스를 테트라머 가스로 변환하는 단일 구성을 포함한다. 전술한 바와 같이, 공급 가스가 균일하게 가열되도록 하는 다른 구성이 가능하다.
종래 기술에 알려진 바와 같이, 특정 온도로의 가열 공급 가스는 그러한 가스를 다른 분자 및 원자 종류로 크랙킹할 수 있다. 수소화물 기체와 같은 다양한 알려진 소스 가스를 다른 분자 및 원자 종류로 크랙킹하기 위한 온도는 일반적으로 종래 기술에 알려져 있고, 예를 들어 200℃ 내지 1000℃이다.
이와 같이, 가스 반응 챔버(100)는 수소화물, 예를 들어 AsH3 또는 PH3와 같은 다양한 분자 종류를 중간 종류로 분리(breakup), "크랙킹"하도록 적응되는데, 이러한 중간 종류는 촉매 물질의 존재시, 개별적인 증발기 오븐의 이용 없이도 단일 단계로 주입하기 위한 BF2 및/또는 B를 형성하기 위해 테트라머(As4 또는 P4), 다이머(As2 또는 P2) 또는 다른 바람직한 단량체 또는 분자 종류, 예를 들어 BF3를 편리하게 형성한다.
BF3, SbH3, GeH4, SiH4 등과 같은 다른 가스 종류(수소화물 이외의 가스 종류를 포함)는 또한 다른 바람직한 분자 및 원자 종류를 형성하기 위해 가스 반응 챔버(100)에서 성공적으로 처리될 수 있다. 일반적으로, 본 발명에 따른 가스 반응 챔버(100)는 형태(AnCmRzHx)(여기서 A는 B, P, 또는 As와 같은 불순물 원자이고, C는 탄소, R은 주입 공정 또는 반도체 디바이스 성능에 유해하지 않은 원자를 함유하는 분자, 라디칼(radical) 또는 리간드(ligand)이고, H는 수소, n, m, x 및 z는 n≥2, m≥0, x 및 z는 ≥0이다)의 기체 공급 물질, 일반적으로 가스를 이온 주입에 사용하기 위한 다른 바람직한 분자 및 원자 종류로 변환하도록 구성된다.
본 발명의 중요한 특징에 따라, 가스 반응 챔버(100)는 또한 그 안에 통과하는 가스의 낮은 형태를 생성하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 가스 반응 챔버(100)는 BF3의 하부 형태를 BF2, BF 및 심지어 B와 같은 하부 형태로 생성하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 추가 실시예에서, 가스 반응 챔버 디바이스(100)는 선택적으로 촉매 물질 표면(108)을 포함할 수 있으며, 이러한 촉매 물질 표면(108)은 흐름 채널링 디바이스(105)의 외부 벽 상에 또는 그 부분으로서 배치된 것으로 본 명세서에 도시되고, 공급 가스가 이온 소스 챔버와 연통하는 흐름 채널(107)의 흐름 표면의 부분을 형성한다. 대안적으로, 촉매 물질 표면은 가스 공급 물질이 접촉하는 임의의 표면을 형성하거나 그 일부분일 수 있다. 다른 대안적인 실시예에서, 텅스텐(W)의 미세한 메시(mesh)는 가스 흐름을 허용하는 편리한 촉매 표면(108)을 형성하는 흐름 채널링 디바이스(105)에 삽입될 수 있다. 또 다른 대안적인 실시예에서, 얇은 금속 시트는 촉매 표면(108)을 형성하는데 사용될 수 있다. 이들 금속 시트는 텅스텐(W) 및 몰리브덴(Mo)을 포함하는 다양한 금속으로 형성될 수 있다. 촉매 표면(108)을 형성하는 금속 시트는 흐름 채널(107)에 맞도록 형성된다.
다른 대안적인 실시예에서, 탄탈륨(Ta)과 같은 촉매 표면(108) 물질은 보어(106) 내에 배치될 수 있다. 스테인리스 스틸, 피롤리틱 붕소 질화물, 그래파이트, 내화 금속 및 석영 또는 고온 필라멘트와 같은 많은 다른 물질이 촉매 물질 표면(108)을 형성하는데 사용되거나 조합하여 사용될 수 있다는 것이 이해된다. 더욱이, 촉매 표면(108)은 메시, 고체 표면, 와이어 및 울(wool)을 포함하는 다른 형태로 형성될 수 있다.
가스 반응 챔버(100)를 통하는 가스 흐름은 도 2에 도시된 구성에 대안적으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 가스 반응 챔버(100)는 흐름 채널링 디바이스(105) 없이 구성될 수 있다. 일실시예에서, 가열 코일(103)은 사용되지 않는다. 배플(baffles)은 또한 가스 반응 챔버(100) 내의 압력을 제어하는데 사용될 수 있다. 도 3을 참조하여, 채널링 디바이스(105) 없는 가스 반응 챔버(100)의 개략도가 도시된다. 이러한 가스 반응 챔버(100)는, 일단부에 하나 이상의 밸브(111)를 통해 가스 공급부(112)에 연결되고, 타단부에서 가스 공급부(26) 및 채널(27)을 통해 이온 소스(1)에 연결된 단일 도관(110)으로서 형성된다. 도관(110)은 가스 공급부(112)로부터 흐름 채널(107)을 형성한다. 도관(110)은 전술한 촉매 물질(108), 제 1 물질 및 촉매 물질, 및/또는 촉매 물질의 조합으로 형성될 수 있거나, 흐름 채널(107)(미도시) 내부의, 또는 도관(110)의 흐름 채널(107)(미도시) 내에서 라이닝(lining) 또는 부분적으로 라이닝하는 촉매 물질(108)을 포함할 수 있다.
가스 반응 챔버 디바이스(100)의 추가 실시예에서, 가스 공급 물질은 도관(110) 주위에 감겨진 가열 코일(103)로부터의 열의 존재시 촉매 물질 표면(108)과 상호 작용하여, 수소화물 또는 다른 기체 공급 물질을 테트라머 분자 또는 다이머 분자와 같은 다른 종류로 변환한다. 대안적으로, 촉매 물질 자체는 전류 흐름(필라멘트에서와 같이)에 의해 또는 유도성으로 가열될 수 있어서, 간접적으로 가열된 촉매와 다른 직접적으로 가열된 물질을 제공한다.
동작시, 가스 공급 물질은 반응기(100)를 통해 진행하여 이온화 챔버(16)로 흐르도록 허용된다. 가열 코일(103)은 가스 반응 챔버(100)의 온도를 상승시키도록 에너지 공급되어, 예를 들어 수소화물 기체와 같은 가스 공급 물질은 바람직한 분자 또는 원자 종류, 예를 들어 이온 소스(1) 내의 이온화를 위한 테트라머 분자로 변환된다. 온도 모니터링 디바이스(미도시)는 전술한 바와 같이 도관 온도의 폐루프 제어에 사용된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 가스 반응 챔버(100)는, 촉매(또는 피롤리틱) 반응이 가열 코일(103)에 의해 적절한 온도, 예를 들어 600℃ 내지 1000℃로 상승된, W, Ta, Mo, 스테인리스 스틸, 세라믹, 붕소 질화물 또는 다른 내화 금속과 같은 유리 또는 금속을 포함하는 적절한 물질의 존재시 발생하도록 구성될 수 있다.
명백하게, 본 발명의 많은 변형 및 변경은 상기 가르침에 관해 가능하다. 따라서, 첨부된 청구 범위 내에서, 본 발명이 특별히 전술한 것과 달리 실행될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
Claims (20)
- 이온 주입 디바이스와 함께 사용하기 위한 이온 소스로서,
공급 가스를 수용하기 위한 이온화 챔버로서, 상기 이온화 챔버는 상기 공급 가스의 이온을 추출하기 위한 추출 애퍼처를 갖는, 이온화 챔버와,
공급 가스의 소스를 수용하기 위한 기체 공급 입구와,
상기 공급 가스를 유용한 종류로 변환하는, 상기 가스 공급 입구와 유체 연통하는(in fluid communication with) 가스 반응 챔버와,
이온화 챔버 내에서 공급 가스를 이온화하고 상기 추출 애퍼처로부터 해당 이온을 추출하는 이온화 시스템을
포함하는, 이온 소스. - 기체 공급 물질을 상이한 분자 또는 원자 종류로 변환하는 방법으로서,
(a) 소스 가스를 수용하는 단계와,
(b) 소스 가스의 온도의 함수로서 상이한 분자 또는 원자 종류를 생성하기 위해 소스 가스를 균일하게 가열하는 단계를
포함하는, 기체 공급 물질을 상이한 분자 또는 원자 종류로 변환하는 방법. - 제 2항에 있어서, 촉매 물질과 소스 가스를 반응시키는 단계(c)를 더 포함하는, 기체 공급 물질을 상이한 분자 또는 원자 종류로 변환하는 방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 단계(c)는 가열된 촉매 물질과 소스 가스를 반응시키는 단계를 포함하는, 기체 공급 물질을 상이한 분자 또는 원자 종류로 변환하는 방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 단계(c)는 가열되지 않은 촉매 물질과 소스 가스를 반응시키는 단계를 포함하는, 기체 공급 물질을 상이한 분자 또는 원자 종류로 변환하는 방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 단계(c)는 내화 물질의 존재시 촉매 물질과 소스 가스를 반응시키는 단계를 포함하는, 기체 공급 물질을 상이한 분자 또는 원자 종류로 변환하는 방법.
- 제 6항에 있어서, 상기 단계(c)는 유리의 존재시 촉매 물질과 소스 가스를 반응시키는 단계를 포함하는, 기체 공급 물질을 상이한 분자 또는 원자 종류로 변환하는 방법.
- 제 6항에 있어서, 상기 단계(c)는 미리 결정된 온도로 상승된 금속의 존재시 촉매 물질과 소스 가스를 반응시키는 단계를 포함하는, 기체 공급 물질을 상이한 분자 또는 원자 종류로 변환하는 방법.
- 제 8항에 있어서, 상기 단계(c)는 미리 결정된 온도로 상승된 금속의 존재시 촉매 물질과 소스 가스를 반응시키는 단계를 포함하는, 기체 공급 물질을 상이한 분자 또는 원자 종류로 변환하는 방법.
- 제 8항에 있어서, 상기 단계(c)는 미리 결정된 온도로 상승된 W의 존재시 촉매 물질과 소스 가스를 반응시키는 단계를 포함하는, 기체 공급 물질을 상이한 분자 또는 원자 종류로 변환하는 방법.
- 제 8항에 있어서, 상기 단계(c)는 미리 결정된 온도로 상승된 Ta의 존재시 촉매 물질과 소스 가스를 반응시키는 단계를 포함하는, 기체 공급 물질을 상이한 분자 또는 원자 종류로 변환하는 방법.
- 제 8항에 있어서, 상기 단계(c)는 미리 결정된 온도로 상승된 Mo의 존재시 촉매 물질과 소스 가스를 반응시키는 단계를 포함하는, 기체 공급 물질을 상이한 분자 또는 원자 종류로 변환하는 방법.
- 제 8항에 있어서, 상기 단계(c)(미리 결정된 온도로 상승된)는 미리 결정된 온도로 상승된 스테인리스 스틸의 존재시 촉매 물질과 소스 가스를 반응시키는 단계를 포함하는, 기체 공급 물질을 상이한 분자 또는 원자 종류로 변환하는 방법.
- 제 8항에 있어서, 상기 단계(c)(미리 결정된 온도로 상승된)는 미리 결정된 온도로 상승된 세라믹의 존재시 촉매 물질과 소스 가스를 반응시키는 단계를 포함하는, 기체 공급 물질을 상이한 분자 또는 원자 종류로 변환하는 방법.
- 제 8항에 있어서, 상기 단계(c)(미리 결정된 온도로 상승된)는 미리 결정된 온도로 상승된 붕소 질화물의 존재시 촉매 물질과 소스 가스를 반응시키는 단계를 포함하는, 기체 공급 물질을 상이한 분자 또는 원자 종류로 변환하는 방법.
- 가스 반응 챔버로서,
공급 가스의 외부 소스를 수용하기 위한 가스 공급 입구를 갖는 고리형 증발 챔버와,
고리형 흐름 채널링(channeling) 디바이스로서, 상기 가스 공급 입구와 유체 연통하는 가스 분배 플리넘(plenum)을 형성하는 상기 증발 챔버에서 수용되도록 구성되고, 흐름 채널이 상기 흐름 채널링 디바이스의 외부 직경과 상기 증발 챔버의 내부 직경 사이에 형성되도록 구성되고, 상기 고리형 흐름 채널링 디바이스는 상기 흐름 채널과 유체 연통하는 길이 방향 보어를 포함하는, 고리형 흐름 채널링 디바이스와,
상기 길이 방향 보어와 유체 연통하고 이온화 챔버와 유체 연동하도록 적응된 노즐과,
상기 흐름 채널을 가열시키기 위한 열원을
포함하는, 가스 반응 챔버. - 가스 반응 챔버로서,
공급 가스의 외부 소스를 수용하기 위한 도관과,
상기 도관을 공급 가스의 외부 소스에 결합시키기 위한 입구 밸브와,
상기 도관을 이온 소스에 결합시키기 위한 출구 밸브와,
상기 공급 가스와 반응하기 위해 상기 도관 내에 배치된 촉매 물질을
포함하는, 가스 반응 챔버. - 제 17항에 있어서, 상기 도관 내의 공급 가스를 가열시키기 위한 열원을 더 포함하는, 가스 반응 챔버.
- 제 18항에 있어서, 상기 촉매 및 열원은, 상기 열원이 가열되도록 구성되는, 가스 반응 챔버.
- 제 18항에 있어서, 상기 촉매 및 열원은, 상기 열원이 가열되지 않도록 구성되는, 가스 반응 챔버.
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