KR20100126721A - 탄소-함유 종의 콜드 주입을 위한 기술 - Google Patents

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크리스토퍼 알. 하템
안소니 레나우
개리 이. 딕커슨
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베리안 세미콘덕터 이큅먼트 어소시에이츠, 인크.
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Abstract

탄소-함유 종의 콜드 주입을 위한 기술이 개시된다. 특정 실시예에서, 이 기술은, 미리 정한 온도로 타겟 재료를 냉각하는 냉각 장치, 및 변형률 및 비정질화 중 적어도 하나를 향상시키기 위해 상기 미리 정한 온도에서 탄소-함유 종으로 타겟 재료를 주입하기 위한 이온 주입기를 포함하는 이온 주입을 위한 장치로 실현될 수 있다.

Description

탄소-함유 종의 콜드 주입을 위한 기술{TECHNIQUES FOR COLD IMPLANTATION OF CARBON-CONTAINING SPECIES}
본 발명은 일반적으로는 이온 주입에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소-함유 종의 콜드(cold) 주입을 위한 기술에 관한 것이다.
이온 주입은 활성화된 이온들로 기판을 직접 충돌시켜 기판 내로 화학 종을 증착하는 공정이다. 반도체 제조에 있어서, 이온 주입기는 일차적으로 타겟 재료의 도전성 유형 및 수준을 변경하는 도핑 공정을 위해 사용된다. 집적 회로(IC) 기판 및 그것의 박막 구조에서 정밀한 도핑 프로파일이 종종 적합한 IC 성능에 매우 중요하다. 원하는 도핑 프로파일을 달성하기 위해, 하나 이상의 이온 종들이 서로 다른 도즈 및 서로 다른 에너지 수준으로 주입될 수 있다.
더욱이, 이온 주입은 현재 반도체 웨이퍼 내로 도전성-변경 불순물을 도입하기 위해 가장 일반적인 기술이다. 원하는 불순물 재료가 이온 소스에서 이온화되고, 생성된 이온이 가속되어 소정의 에너지를 갖는 이온빔을 형성하고, 이온빔이 반도체 웨이퍼의 표면으로 인도된다. 이온빔 내의 활성 이온들이 반도체 웨이퍼 내 반도체 재료의 벌크 내로 침투하고 반도체 재료의 결정 격자 내에 매립되어 원하는 도전성 영역을 형성한다.
이온 주입기(ion implanter)는 가스 또는 고체 재료를 잘 정의된 이온빔으로 변환하기 위한 이온 소스를 포함한다. 상기 이온빔은 원치않는 이온 종들을 제거하기 위해 보통 질량 분석되고, 원하는 에너지로 가속되어, 타겟(target)으로 인도된다. 이온빔은 빔 주사에 의해, 타겟 이동에 의해 또는 빔 주사와 타겟 이동의 조합에 의해 타겟 영역 상부에 분포될 수 있다. 이온빔은 스폿 빔(spot beam) 또는 긴 치수 및 짧은 치수를 갖는 리본 빔(ribbon beam)일 수 있다.
탄소는 또 다른 선비정질화 주입(pre-amorphization implant; PAI) 종들, 예컨대 게르마늄, 붕소 등과 연관하여 부-주입(co-implant) 종으로서 사용될 수 있다. 이 사상은 얕은 도펀트와 PAI 종에 의해 야기된 영역 끝단(end-of-range; EOR) 손상 사이에 카본을 위치시키는 것이다. 치환형(substitutional) 탄소는 열처리 동안 EOR로부터 다시 나오는 몇몇 침입형(interstitials)을 차단할 수 있는데, 그렇지 않으면 상기 열처리는 과속 증속 확산(transient enhanced diffusion; TED) 및 붕소 침입형 클러스터(boron interstitial cluster; BIC) 형성을 야기할 것이다. 그러나 탄소 영역은 종종 PAI 종의 영역과 중첩되고, 따라서 탄소 주입 자체가 PAI에 기여한다. 따라서, 탄소 자신이 또한 선비정질화 종으로 사용될 수 있다.
탄소는 또한 국부적인 압축 변형률(compressive strain)을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 그러므로 트랜지스터 소자에서 소스/드레인이 SiC에서 생성되면, 탄소 주입은 트랜지스터 소자의 채널에 인장 변형률(tensile strain)을 야기할 것이다. 이는 n형 금속-산화물-반도체(NMOS) 거동을 향상시킬 수 있다. 트랜지스터 재료의 실리콘 격자 내로 탄소를 함유시키려면, 에피택셜(epitaxial) 성장 또는 주입이 필요할 수 있는데, 실리콘 격자 내로의 탄소의 높은 도즈(dose) 주입은 비정질화를 야기할 수 있고, 상기 탄소는 재성장에서 실리콘 격자 내로 함유될 수 있다. 그 결과, 비정질화 및 응력이 반도체 제조자에 의해 고려되는 중요한 두 가지 요인이다.
따라서, 앞의 관점에서, 이온 주입, 특히, 탄소-함유 종을 주입하기 위한 현재 기술과 관련된 중대한 문제 및 단점이 있다.
탄소-함유 종의 콜드(cold) 주입을 위한 기술이 개시된다. 특정 실시예에서, 이 기술은, 미리 정한 온도로 타겟 재료를 냉각하고, 변형률 및 비정질화 중 적어도 하나를 향상시키기 위해 상기 미리 정한 온도에서 탄소-함유 종으로 타겟 재료를 주입하는 것을 포함하는 이온 주입을 위한 방법으로 실현될 수 있다.
이 특정 실시예의 다른 태양에 따르면, 상기 타겟 재료는, 후면 냉각, 열적 처리(thermal conditioning) 냉각 및 선-냉각(pre-chilling) 중 적어도 하나에 의해 냉각될 수 있다.
이 특정 실시예의 또 다른 태양에 따르면, 상기 미리 정한 온도는 상온 아래 및 -212℃ 위일 수 있다. 예를 들어, 상기 미리 정한 온도는 -20℃ 내지 -100℃ 범위 내일 수 있다.
이 특정 실시예의 추가의 태양에 따르면, 상기 탄소-함유 종은 탄소, 디보란, 펜타보란, 카보란, 옥타보란, 데카보란 및 옥타데카보란 중 적어도 하나를 포함하는 분자 탄소일 수 있다.
이 특정 실시예의 다른 태양에 따르면, 상기 탄소-함유 종은 메탄, 에탄, 프로판, 비벤질(bibenzyl), 부탄 및 피렌 중 적어도 하나를 포함하는 알칸 또는 알켄일 수 있다.
이 특정 실시예의 또 다른 태양에 따르면, 상기 방법은 향상된 선-비정질화 주입(PAI) 또는 향상된 타겟 재료의 컨덕턴스를 위해 추가적인 종으로 타겟 재료를 주입하는 것을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 추가적인 종은 게르마늄(Ge), 붕소(B), 인(P), 규소(Si), 비소(As), 크세논(Xe), 탄소(C), 질소(N), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 금(A), 카보란(C2B10H12), 이불화 붕소(BF2), 데카보란, 옥타데카보란, 및 디보란 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이 특정 실시예의 추가의 태양에 따르면, 상기 방법은 상기 타겟 재료에 적어도 변형률을 생성하고 매우-얕은 접합(ultra-shallow junction; USJ)을 형성하기 위해 사용될 수 있다.
이 특정 실시예의 추가의 태양에 따르면, 상기 방법은 변형률 및 비정질화 중 적어도 하나를 더 향상시키기 위해 도즈, 도즈율(dose rate), 상기 탄소-함유 종 내의 원자들의 수, 원자 에너지 및 압력 중 적어도 하나를 제어하는 것을 더 포함할 수 있다.
또 다른 특정 실시예에 따르면, 상기 기술은, 타겟 재료를 미리 정한 온도로 냉각하기 위한 냉각 장치, 및 변형률 및 비정질화 중 적어도 하나를 향상시키기 위해 상기 미리 정한 온도에서 탄소-함유 종으로 상기 타겟 재료를 주입하기 위한 이온 주입기를 포함하는 이온 주입을 위한 장치로 실현될 수 있다.
이 특정 실시예의 추가의 태양에 따르면, 상기 냉각 장치는 후면 냉각 장치, 열적 처리 유닛 및 선-냉각기 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또 다른 특정 실시예에 따르면, 상기 기술은, 미리 정한 온도로 타겟 재료를 냉각하기 위한 수단, 및 변형률 및 비정질화 중 적어도 하나를 향상시키기 위해 상기 미리 정한 온도에서 탄소-함유 종으로 타겟 재료를 주입하기 위한 수단을 포함하는 이온 주입을 위한 장치로 실현될 수 있다.
본 발명이 이제 첨부된 도면에 도시된 바와 같이 전형적인 실시예들을 참조하여 더욱 상세하게 설명될 것이다. 본 발명이 전형적인 실시예들을 참조하여 설명되지만, 본 발명은 그것에 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 여기에 개시된 사항에 접근한 당업자는 다른 분야의 사용뿐만 아니라, 추가의 구현예, 변형예 및 실시예들을 인식할 것인데, 그것들은 여기에 개시된 바와 같이 본 발명의 범위 내에 있으며, 그것들과 관련하여 본 발명이 매우 유용할 것이다.
본 발명의 더 완전한 이해를 돕기 위해 첨부된 도면들이 이제 참조 되며, 여기서 동일한 구성 요소는 동일한 번호로 참조 된다. 이들 도면들은 본 발명을 제한하는 것으로 이해되지 않아야 하며, 단지 전형적인 것으로만 의도된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 도핑 시스템의 부분 단면도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔-라인 이온 주입기를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 후면 가스 열 결합을 수행하기 위한 척(chuck)을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소 모노머와 대비하여 에탄의 효과를 예시하는 전형적인 그래프를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소 주입에 대한 온도 효과를 예시하는 전형적인 그래프를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다양한 탄소 주입에 대한 탄소 도즈 및 비정질 두께를 예시 및 대비하는 전형적인 그래프를 나타낸다.
본 발명의 실시예들은 탄소-함유 종의 콜드(cold) 주입을 위한 장치 및 방법을 제공한다.
탄소-함유 종들이 예를 들어 반도체 웨이퍼와 같은 작업 대상물에 주입될 수 있다. 이들 탄소-함유 종들의 식은 폭넓게 다양하다. 따라서, 본 명세서에 있는 식들에서, B는 붕소를 나타내고, C는 탄소를 나타내고, Si는 실리콘을 나타낸다. X 및 Y는 각각 적어도 하나의 원소를 나타낸다. 몇몇 경우에서, X 및/또는 Y는 단일 원소(예컨대, X=C, Y=H)를 나타낼 수 있고; 다른 경우에, X 및/또는 Y는 하나의 원소보다 많은 것(예컨대, X=NH4, NH3, CH3)을 나타낼 수 있다. 또한, CBY와 같은 식은 BCY 또는 CBY와 같이 다른 순서로 동일한 원소들을 포함할 수 있는 다른 동등한 화학식에 의해 표현될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명의 몇몇 실시예들에서, 상기 식들은 CaBbYc로 표현될 수 있으며, 여기서 a>0, b>0 및 c>0이다.
특정 상황에서, Y는 적어도 수소를 나타낼 수 있다(예를 들어, 상기 식은 CaBbHc를 포함한다). 몇몇 실시예들에서, XaBbHc의 유도체가 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 하는데, 이것은 X 및/또는 B 자리에서 수소를 대체하는 다른 원소들 또는 원소들의 그룹들(예컨대, CH3)을 포함한다. 또한, 치환기들은 임의의 적합한 무기 또는 유기 종들일 수 있음이 이해되어야 한다.
이에 더하여, 식 CaBbHc가 일 실시예에서 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에서 CaBbHc의 유도체가 사용될 수 있는데, 이것은 C 및/또는 B 자리에서 수소를 대체하는 다른 원소들 또는 원소들의 그룹들을 포함한다. 다시, 치환기들은 임의의 적합한 무기 또는 유기 종들일 수 있음이 이해되어야 한다. 또 다른 실시예에서, 식은 카보란, 즉 C2B10H12을 포함할 수 있다.
상기 탄소-함유 종은 식 CBY 또는 XBY를 갖는 분자에만 제한되지 않는다. 실제로, 이들 탄소-함유 종은 분자 또는 원자일 수 있다. 예를 들어, 탄소-함유 종은 데카보란 또는 옥타데카보란일 수 있다. 다른 예들에서, 탄소-함유 종은 메탄, 에탄, 프로판 또는 부탄과 같은 알칸일 수 있다. 더욱이, 탄소-함유 종은 또한 피렌(pyrene) 또는 적어도 하나의 탄소 원자를 포함하는 원자 또는 분자의 임의의 다른 종들일 수 있다.
탄소-함유 종의 사용은 작업 대상물의 비정질화를 증가시킬 수 있다. 더욱이, 분자 탄소-함유 종의 사용은 단위 분자당 다수의 탄소 원자에 기인하여 주어진 빔 에너지에서 주입되는 탄소의 양을 증가시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들은 탄소-함유 종에 의해 유발되는 비정질화를 향상시키는 이온 주입 시스템 및 방법을 제공할 수 있다. 비정질화를 향상시키도록 조정될 수 있는 많은 파라미터들이 있다. 첫째, 예를 들어, 도즈 증가는 작업 대상물의 비정질/결정 계면이 더 깊어지게 할 수 있으며, 그 때문에 비정질화를 향상시킨다. 그러나 게이트-유기 드레인 누설(GIDL)이 탄소와 연관될 수 있기 때문에, 이러한 비정질화는 제한될 수 있다.
둘째, 도즈율(dose rate)이 또한 비정질화를 향상시키기 위해 증가될 수 있는데, 이러한 증가는 작업 대상물의 비정질/결정 계면이 더 깊어지게 할 수 있기 때문이다. 그러나 이 효과는 빔 전류를 생성하는 이온 소스의 성능에 의해 제한될 수 있다.
셋째, 분자 내의 원자 개수의 증가가 더 빠르게 또한 더 깊게 작업 대상물을 비정질화할 수 있다. 여기서, 이것은 도즈율을 변경하는 것과 유사한 효과를 가질 수 있다.
분자는 또한 구성 원자들 사이에서 그들 각각의 질량에 따른 전체 에너지를 공유할 수 있다. 예를 들어, 깊은 임플란트(deep implants)에서, 원자들은 고 에너지를 가질 수 있고, 이 고 에너지는 이온 주입기 내의 마그넷의 벤딩 성능에 의해 제한되거나 또는 이용가능한 가속 전압에 의해 제한될 수 있다.
넷째, 비정질화는 작업 대상물의 온도를 낮춤으로써 향상될 수 있다. 예를 들어, 손상이 이온이 멈춘 후에 더 오래 지속하여, 증가된 충돌 캐스케이드로부터의 다른 손상이 중첩되도록 한다. 이는 탄소에 중요할 수 있는데, 탄소가 농후한 충돌 캐스케이드를 생성하지 못하는 가벼운 원자이기 때문이다. 따라서, 더 무거운 종들, 예컨대 게르마늄의 경우, 온도 효과는 더 작을 것이다. 그러나 온도를 낮추는 것은 궁극적으로 더 깊은 비정질화 및 매끄러운 비정질/결정 계면을 생성할 수 있다. 궁극적으로, 이는 재성장, 예컨대 고상 에피택셜 재성장(solid phase epitaxial regrowth; SPER) 후에 손상 감소로 이어질 수 있다.
전형적인 목적을 위해서, 에탄이 비정질화를 향상시키기 위한 상술된 많은 방법들을 이용하도록 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 에탄은 단순한 전구체(예컨대, 에탄, 프로판 등)로 표준 이온 소스(예컨대, 간접 가열 캐소드)에 생성될 수 있으며, 콜드(cold) 온도가 에탄과 함께 비정질화를 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 에탄과 유사한 다른 탄소-함유 종이 또한 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 도핑 시스템(100)을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 플라즈마 도핑 시스템(100)은 둘러싸인 부피(103)를 정의하는 공정 챔버(102)를 포함할 수 있다. 플래튼(134)이 공정 챔버(102) 내에 위치하여 작업 대상물(138)을 지지할 수 있다. 일 실시예에서, 작업 대상물(138)은 디스크 형상을 갖는 반도체 웨이퍼일 수 있다. 예를 들어, 300밀리미터(㎜) 직경의 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 작업 대상물(138)은 정전기 또는 기계적 힘에 의해 플래튼(134)의 평평한 표면에 클램핑될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 플래튼(134)은 작업 대상물(138)에의 접속 형성을 위한 도전성 핀들(도시하지 않음)을 포함할 수 있다. 다른 다양한 실시예들이 또한 제공될 수 있다.
플라즈마 도핑 시스템(100)은 또한 가스 소스(104)를 포함하여 매스 플로우 제어기(106)를 통해 상기 둘러싸인 부피(103)로 도펀트 가스를 제공할 수 있다. 가스 배플(170)이 가스 소스(104)로부터의 가스 유량을 편향시키기 위해 공정 챔버(102) 내에 위치할 수 있다. 압력 게이지(108)가 공정 챔버(102) 내부 압력을 측정하기 위해 제공될 수 있다. 진공 펌프(112)는 공정 챔버(102)의 배출구(110)를 통해 공정 챔버(102)로부터 배출 가스를 배기하기 위해 이용될 수 있다. 배출 밸브(114)가 배출구(110)를 통한 배출 컨덕턴스를 제어할 수 있다.
플라즈마 도핑 시스템(100)은 매스 플로우 제어기(106), 압력 게이지(108) 및 배출 밸브(114)에 전기적으로 접속된 가스 압력 제어기(116)를 더 포함할 수 있다. 가스 압력 제어기(116)는 압력 게이지(108)에 응답하는 피드백 루프로 배출 밸브(114)에 의한 배출 컨덕턴스 또는 매스 플로우 제어기(106)에 의한 공정 가스 유량을 제어함으로써 공정 챔버(102) 내의 원하는 압력을 유지하도록 구성될 수 있다.
공정 챔버(102)는 대체로 수평 방향으로 연장하는 유전 물질로 형성된 제1 부분(120)을 포함하는 챔버 상부(118)를 포함한다. 챔버 상부(118)는 또한 상기 제1 부분(120)으로부터 대체로 수직 방향으로 소정 높이 연장하는 유전 물질로 형성된 제2 부분(122)을 포함한다. 상기 챔버 상부(118)는 수평 방향으로 상기 제2 부분(122)을 가로질러 연장하는 전기적 열적 전도성 재료로 형성된 리드(124)를 더 포함할 수 있다. 리드(124)는 또한 접지될 수 있다.
플라즈마 도핑 시스템(100)은 공정 챔버(102) 내에 플라즈마(140)를 생성하도록 구성된 소스 구성(101)을 더 포함할 수 있다. 소스 구성(101)은 전원 장치와 같은 RF 소스(150)를 포함하여 평면 RF 안테나(126) 및 나선 RF 안테나(146) 중 하나 또는 둘 모두에 RF 전력을 공급하여 플라즈마(140)를 생성할 수 있다. RF 소스(150)는 임피던스 매칭 네트워크(152)를 통해 안테나(126, 1246에 결합될 수 있다. 일 실시예에서, 임피던스 매칭 네트워크(152)는 RF 소스(150)로부터 RF 안테나(126, 146)로 전송되는 전력을 최대화하기 위해 RF 소스(150)의 출력 임피던스를 RF 안테나(126, 146)의 임피던스에 매칭시킨다. 다른 다양한 구성이 또한 제공될 수 있다.
플라즈마 도핑 시스템(100)은 또한 플래튼(134)에 전기적으로 결합된 바이어스 전원 장치(148)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 바이어스 전원 장치(148)는 플래튼(134) 및 따라서 작업 대상물(138)을 바이어싱하기 위해 펄스 ON 및 OFF 시간 주기를 갖는 펄스화된 플래튼 신호를 제공하고, 펄스 OFF 주기 동안은 아니고 펄스 ON 시간 주기 동안에는 플라즈마(140)로부터 작업 대상물(138)을 향해 이온을 가속시키도록 구성될 수 있다. 바이어스 전원 장치(148)는 DC 또는 RF 전원 장치일 수 있다. 다른 변형이 또한 이용될 수 있다.
플라즈마 도핑 시스템(100)은 플래튼(134) 주위에 배치된 쉴드링(194)를 더 포함할 수 있다. 쉴드링(194)은 작업 대상물(138)의 가장자리 근처에서 주입되는 이온 분포의 균일성을 향상시키기 위해 바이어싱될 수 있다. 하나 이상의 패러데이 센서, 예컨대 환형 패러데이 센서(199)가 이온빔 전류를 감지하기 위해 쉴드링(194)에 배치될 수 있다.
플라즈마 도핑 시스템(100)은 제어기(156) 및 사용자 인터페이스 시스템(158)을 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제어기(156)는 원하는 입력/출력 기능을 수행하도록 프로그램된 범용 컴퓨터 또는 범용 컴퓨터의 네트워크일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제어기(156)는 다른 전자 회로 또는 부품들, 예컨대 주문형 집적회로(application specific integrated circuits), 다른 하드와이어드(hardwired) 또는 프로그래머블 전자 장치들, 개별 요소 회로들(discrete element circuits) 등을 포함하거나 추가로 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제어기(156)는 또한 통신 장치들, 데이터 저장 장치들 및 소프트웨어를 포함할 수 있다. 도 1의 제어기(156)가 전원 장치(148, 150)에 출력 신호만을 제공하고, 패러데이 센서(199)로부터 입력 신호를 수신하는 것으로 예시되어 있지만, 제어기(156)는 또한 플라즈마 도핑 시스템(100)의 다른 부품들에 출력 신호를 제공하고 그들로부터 입력 신호를 수신할 수 있다. 다른 다양한 실시예들이 또한 제공될 수 있다.
사용자 인터페이스 시스템(158)은 제어기(156)를 통해 사용자가 명령 및/또는 데이터를 입력하고 및/또는 플라즈마 도핑 시스템(100)을 모니터링 하도록 하는 다양한 장치들을 포함할 수 있다. 이것들은 터치 스크린, 키보드, 사용자 포인팅 장치, 디스플레이, 프린터 등을 포함할 수 있다. 다른 다양한 장치들이 또한 이용될 수 있다.
동작시, 가스 소스(104)는 작업 대상물(138)에 주입하기 위한 원하는 도펀트를 포함하는 1차 도펀트 가스를 공급할 수 있다. 다양한 1차 도펀트 가스가 사용될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 1차 도펀트 가스는 Si, C, N, Ge, Sn, Al, Mg, Ag, Au 또는 이들의 조합일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 1차 도펀트 가스는 또한 비소, 붕소, 인, 카보란 C2B10H12, 또는 다른 큰 분자 화합물이거나 그것을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 1차 도펀트 가스는 알칸 또는 다른 원자 또는 분자의 탄소-함유 종일 수 있다. 다른 다양한 1차 도펀트 가스 실시예들이 또한 제공될 수 있다.
가스 압력 제어기(116)는 1차 도펀트 가스가 공정 챔버(102)에 공급되는 속도를 조절할 수 있다. 소스 구성(101)은 공정 챔버(102) 내에 플라즈마(140)를 생성하도록 작동할 수 있다. 소스 구성(101)은 제어기(156)에 의해 제어될 수 있다. 플라즈마(140)를 생성하기 위해, RF 소스(150)가 RF 안테나(126, 146) 중 적어도 하나에 RF 전류를 공진하여 공정 챔버(102) 내에 전자기장(예컨대, 발진하는 DC 또는 RF 필드)을 생성하는데, 이는 다시 공정 챔버(102) 내의 1차 도펀트 가스를 여기 및 이온화하여 플라즈마(140)를 생성할 수 있다.
바이어스 전원 장치(148)는 플래튼(134) 및 따라서 작업 대상물(138)을 바이어싱하기 위해 펄스화된 플래튼 신호를 제공하여 펄스화된 플래튼 신호의 펄스 ON 주기 동안 플라즈마(140)로부터 작업 대상물(138)을 향해 이온을 가속시킬 수 있다. 펄스화된 플래튼 신호의 주파수 및/또는 펄스의 듀티 사이클(duty cycle) 원하는 도즈율(dose rate)을 제공하도록 선택될 수 있다. 모든 다른 파라미터가 동일할 때, 더 큰 에너지는 더 큰 주입 깊이를 초래할 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔-라인 이온 주입기(200)를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 빔-라인 이온 주입기(200)는 이온 소스(280)를 포함하여 이온빔(281)을 형성하는 이온을 생성한다. 이온 소스(280)는 이온 챔버(283) 및 이온화될 가스를 포함하는 가스 박스(도시하지 않음)를 포함한다. 가스는 그것이 이온화되는 이온 챔버(283)로 공급된다. 일 실시예에서, 이 가스는 비소, 붕소, 인, 카보란 C2B10H12, 또는 다른 커다란 분자 화합물이거나 그것을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 가스는 알칸 또는 다른 원자 또는 분자의 탄소-함유 종일 수 있다. 형성된 이온은 이온 챔버(283)로부터 인출되어 이온빔(281)을 형성한다.
이온빔(281)은 분해 마그넷(282)의 폴들(poles) 사이로 인도될 수 있다. 전원 장치가 이온 소스(280)의 인출 전극(extraction electrode)에 연결되고, 조정 가능한 전압을 제공할 수 있다. 예를 들면, 고전류 이온 주입기에서 약 0.2 내지 80kV의 전압이 제공될 수 있다. 따라서, 이온 소스로부터 단일하게 대전된 이온들이 이 조정 가능한 전압에 의해 약 0.2 내지 80 keV의 에너지로 가속될 수 있다.
이온빔(281)은 억제 전극(284) 및 접지 전극(285)을 통과하여 질량 분석기(286)로 진행한다. 도 2에 나타내듯이, 질량 분석기(286)는 분해 마그넷(282)을 포함할 수 있다. 질량 분석기(286)는 분해 구경(289)을 갖는 마스킹 전극(288)으로 이온빔(281)을 인도할 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 질량 분석기(286)는 분해 마그넷(282) 및 분해 구경(289)을 갖는 마스킹 전극(288)을 포함할 수 있다. 분해 마그넷(282)은 원하는 이온 종들의 이온이 분해 구경(289)을 통과하도록 이온빔(281) 내의 이온들을 편향시킨다. 원치않는 이온 종들은 분해 구경(289)을 통과하지 못한다. 대신에, 이러한 원치 않는 이온 종들은 마스킹 전극(288)에 의해 차단된다. 일 실시예에서, 예를 들어, 분해 마그넷(282)은 원하는 이온 종을 약 90°만큼 편향시킨다.
원하는 이온 종의 이온이 분해 구경(289)을 통과하여 각도 보정 마그넷(294)으로 진행한다. 각도 보정 마그넷(294)은 원하는 이온 종의 이온을 편향시키고 이온빔을 발산하는 이온빔으로부터 리본 이온빔(212)으로 변환하는데, 이것은 실질적으로 평행한 이온 궤적을 갖는 이온들을 포함한다. 일 실시예에서, 예를 들어, 각도 보정 마그넷(294)은 원하는 이온 종의 이온을 약 70°만큼 편향시킨다. 또 다른 실시예에서, 상기 빔-라인 이온 주입기(200)는 가속 또는 감속 유닛들을 더 포함할 수 있다. 다른 다양한 실시예들이 또한 제공될 수 있다.
엔드 스테이션(211)은 원하는 종의 이온이 작업 대상물(138)에 주입되도록 리본 이온빔(212)의 경로에 하나 이상의 작업 대상물, 예컨대 작업 대상물(138)을 지지한다. 엔드 스테이션(211)은 플래튼(295)을 포함하여 작업 대상물(138)을 지지할 수 있다. 엔드 스테이션(211)은 또한 리본 이온빔(212) 단면의 긴 치수에 수직하게 작업 대상물(138)을 이동시키기 위한 스캐너(도시하지 않음)를 포함할 수 있으며, 그것에 의해 작업 대상물(138)의 전체 표면에 걸쳐 이온을 분포시킬 수 있다. 리본 이온빔(212)이 도 2에 예시되지만, 예컨대 스폿빔과 같은 다른 다양한 빔들 및 실시예들이 제공될 수 있다.
상기 이온 주입기(200)는 추가 부품들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 엔드 스테이션(211)은 또한 빔-라인 이온 주입기(200)로 작업 대상물을 도입하고 이온 주입 후 작업 대상물을 제거하기 위한 자동화된 작업 대상물 핸들링 장치를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 엔드 스테이션(211)은 또한 도즈 계량 시스템, 전자 플러드 건(electron flood gun), 또는 다른 유사한 부품들을 포함할 수 있다. 이온빔(212)이 지나가는 전체 경로가 이온 주입 동안 배기되는 것이 당업자에게 이해될 것이다. 더욱이, 빔-라인 이온 주입기(200)는 이온의 핫(hot) 또는 콜드(cold) 주입을 위해 제공될 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 비정질화를 향상시키기 위해, 작업 대상물이 냉각될 수 있다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 후면 가스 열 결합을 수행하기 위한 척(300)을 나타낸다. 척(300)은 후면 가스 열 결합을 수행하는 후면 가스 장치를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 후면 가스 열 결합은 도 1에 도시된 바와 같은 플라즈마 도핑 시스템에서 수행될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 후면 가스 열 결합은 도 2에 도시된 바와 같은 빔-라인 이온 주입기에서 수행될 수 있다. 다른 다양한 구현 및 응용이 또한 제공될 수 있다.
도 3을 참조하면, 가스 원자 또는 분자(301)가 작업 대상물(338)과 척(300) 사이에서 흐를 때, 가스 원자 또는 분자(301)는 척(300)의 표면을 가격하고 척(300)의 온도에 대응하는 병진 또는 회전 에너지를 얻을 수 있다. 척(300)의 온도에 대응하는 에너지는 원자 또는 분자(301)와 그들이 가격하는 척(300)의 표면 사이에서 경험되는 결합을 나타내는 수용 계수(accommodation coefficient)를 사용하여 설명될 수 있다. 이 예에서, 수용 계수는 원자 또는 분자(301)의 세부 내역(예컨대, 자유도)과 가격(striking) 표면의 세부 내역(예컨대, 거칠기 또는 가격 계수)에 의존할 수 있다.
열화된(thermalized) 원자 또는 분자(301)는 그 후 작업 대상물(338)과 척(300) 사이의 간극(gap, 303)을 가로질러 진행한다. 작업 대상물(338)과 척(300) 사이의 거리가 원자 또는 분자(301)의 평균 자유 경로(예컨대, 충돌 사이에 진행하는 평균 거리)에 비해 짧으면, 간극(303)을 가로지르는 진행은 직접 경로일 수 있다. 원자 또는 분자(301)가 작업 대상물(338)에 도달할 때, 동일한 열화 과정이 작업 대상물(338)에서 발생할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 작업 대상물(338)이 척(300)보다 더 뜨거우면, 원자 또는 분자(301)는 작업 대상물(138)로부터 에너지를 흡수할 수 있다. 반대로, 척(300)이 작업 대상물(338)보다 더 뜨거우면, 원자 또는 분자(301)는 척(300)으로부터 에너지를 흡수할 수 있다. 그러므로 원자 또는 분자(301)가 작업 대상물(338)과 척(300) 사이에서 진행할 때, 두 개의 표면들이 동일한 온도를 향해 이동될 수 있다. 이러한 방식으로, 작업 대상물(338)은 가열되거나 냉각될 수 있다. 원자 또는 분자(301) 간에 상당히 많은 충돌이 있다면 이 열 전달은 덜 효율적이게 될 수 있는데, 이는 원자 또는 분자가 서로 간에 에너지를 공유할 것이기 때문이다.
더 높은 가스 압력은 작업 대상물(338)과 척(300) 사이에서 열을 전달하는 더 많은 원자 또는 분자(301)를 의미하지만, 그것은 또한 더 짧은 평균 자유 경로를 의미할 수 있다. 따라서, 낮은 압력에서, 열 전달은 가스 압력에 비례할 수 있다. 압력이 평균 자유 경로가 척(300)과 작업 대상물(338) 사이의 간극(303)으로 떨어지는 점까지 상승할 때, 상기 증가는 떨어지기 시작할 수 있다. 더 높은 압력은 작업 대상물(338)을 척(300)에 더 가깝게 유지함으로써 사용될 수 있다. 대부분의 경우, 클램핑 압력이 일반적으로 후면 가스 압력보다 더 높다는 것이 이해되어야 한다. 다른 변화들이 또한 제공될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 열적 처리 유닛(thermal conditioning unit)이 작업 대상물을 냉각하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 작업 대상물은 열적 처리 유닛 상에 놓일 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들면, 로봇 암이 열적 처리 유닛과 척 사이에서 작업 대상물을 이동시킬 수 있으며, 작업 대상물은 상온 아래로 냉각될 수 있다.
작업 대상물은 비정질화를 최적화하기 위해 다양한 소정 온도로 냉각될 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 냉각 범위는 상온 아래에서 -212℃까지 일 수 있다. 일 실시예에서, 작업 대상물은 0℃까지 또는 어는 점 아래로 냉각될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 작업 대상물은 -20℃와 -100℃ 사이로 냉각될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 작업 대상물은 대략 -60℃까지 냉각될 수 있다. 다른 다양한 냉각 온도가 이용될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 선-냉각기(pre-chiller)가 엔드 스테이션 또는 공정 챔버에서 사용되어 작업 대상물을 냉각할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 선-냉각기는 엔드 스테이션 또는 공정 챔버 내의 플릿폼일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 선-냉각(pre-chilling)은 로드락에서 발생할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 플래튼이 도 3에서 설명된 것과 유사한 방식으로 작업 대상물을 냉각할 수 있다. 다른 다양한 실시예들이 또한 구현될 수 있다. 예를 들어, 이것들은 잉글랜드(England) 등에 의해 2006년 8월 15일자 출원된 미국 특허 출원 번호 제11/504,367호, 블레이크(Blake) 등에 의해 2006년 9월 23일자 출원된 미국 특허 출원 번호 제11/525,878호, 및 잉글랜드(England) 등에 의해 2007년 4월 10일자 출원된 미국 특허 출원 번호 제11/733,445호에 개시된 다른 냉각 공정들을 포함할 수 있으며, 이들은 모두 참조문헌으로 여기에 포함된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 단순한 탄소 모노머들에 대비하여 에탄, 탄소 분자의 효과를 예시하는 전형적인 그래프(400)를 나타낸다. 이 예에서, 탄소-함유 종으로서 에탄의 사용은 대략 50% 까지 비정질화를 증가시키는 것으로 보여지고, 이온 주입에 이상적인 실질적으로 급격한 프로파일을 생성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소 주입에 대한 온도 효과를 예시하는 전형적인 그래프(500)를 나타낸다. 더 낮은 온도, 나타낸 바와 같이 예컨대 -100℃에서 탄소를 주입하면, 대략 100%까지 비정질화를 증가시킬 수 있다. 더욱이, 비정질층을 넘는 탄소 도즈는 경감될 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다양한 탄소 주입에 대해 탄소 도즈와 비정질층을 예시 및 대비하는 전형적인 그래프(600)를 나타낸다. 이 실시예에서, 표준 주입에 대비하여 콜드 주입이 수행될 때 비정질 두께가 증가하는 것으로 보여진다.
따라서, 탄소-함유 종의 콜드 주입은 매우-얕은(ultra-shallow) 주입 및 변형률 엔지니어링 양자를 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 탄소-함유 종은 콜드 조건하에서, 예컨대 -60℃에서 주입될 수 있다. 더욱이, 탄소-함유 종의 콜드 주입은 단독으로 또는 다른 종들, 예컨대 PAI로서 게르마늄과 함께 수행될 수 있다.
이에 더하여, 탄소-함유 종의 콜드 주입은 매우-얕은 접합(ultra-shallow junction; USJ)을 형성하기 위해 수행될 수 있다. USJ를 주입하기 위해, 작업 대상물은 도펀트들(예컨대, 붕소, 인 등)이 작업 대상물의 결정 격자 내에서 채널링하지 않도록 비정질화될 수 있다. 탄소가 비정질층을 생성하기 위해 주입될 수 있다. 예를 들어, 탄소의 콜드 주입은 붕소 또는 인의 더 낳은 활성을 제공할 수 있다. 콜드 온도는 도펀트 프로파일을 더 얕게 만들고 또한 작업 대상물의 결정 격자 내 채널링을 방지한다. 특히, 탄소는 활성 자리(activation sites)에 대해 붕소 또는 인과 경쟁할 수 있으며, 그러므로 붕소 또는 인의 확산을 막을 수 있다. 하나의 예만이 설명되지만, 다른 매우-얕은 주입이 탄소-함유 종의 콜드 주입에 의해 유사한 방식으로 수행될 수 있다.
더욱이, 탄소-함유 종의 콜드 주입은 변형률을 생성하도록 수행될 수 있다. 변형률을 생성하기 위해 작업 대상물에 주입되는 탄소는 작업 대상물의 결정 격자로부터 원자를 두드릴 수 있다. 예를 들어, 이들은 실리콘 또는 게르마늄 원자들일 수 있다. 탄소-함유 종이 다중 탄소 원자를 갖는 분자 화합물이면, 탄소 원자가 작업 대상물의 결정 격자로부터 원자를 두드릴 수 있는 기회가 증가될 수 있다. 따라서, 탄소-함유 종의 주입은 비정질화 및 변형률을 증가시킬 수 있다.
따라서, 콜드 온도 조건하에서의 탄소 분자의 주입은, 특히 USJ 형성에 있어서, 비정질화 및 변형률의 효과를 실질적으로 향상시키고 이온 주입을 최적화할 수 있다.
본 발명의 실시예들이 RF 모드에서 작동하는 플라즈마 도핑 시스템을 사용하는 주입에 관한 것이지만, 따른 구현예들, 시스템들 및/또는 작동 모드들이 또한 제공될 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 이것들은 다른 플라즈마-기반 이온 주입 시스템, 예컨대 글로우 방전 플라즈마 도핑(GD-PLAD) 또는 다른 이온 주입 시스템을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들이 탄소-함유 종을 사용하여 설명되지만, 다른 주입 종들이 또한 제공될 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 이것들은 불소 함유 분자(예컨대, 이불화 붕소(BF2)) 또는 비소나 인 함유 분자, 예컨대 비소 또는 인의 다이머들(예컨대, As2 또는 P2) 또는 테트레머(As4 또는 P4)를 포함할 수 있다.
또한, 개시된 실시예들은 몇개의 작동 모드를 제공할 뿐만 아니라, 이들 다양한 모드들은 주입에 대한 추가적인 사용자 주문을 제공할 수 있는데, 그렇지 않으면 즉시 제공되지 않을 것이다.
본 발명은 여기에 설명된 특정 실시예들에 의해 범위가 제한되지 않는다. 실제로, 여기에 설명된 것들에 더하여, 본 발명에 대한 다른 다양한 실시예들 및 변형들이 앞의 설명 및 첨부된 도면으로부터 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 그러한 다른 실시예들 및 변형들은 본 발명의 범위 내에 들도록 의도된다. 나아가, 본 발명이 특정 목적을 위해 특정 환경에서 특정 구현에의 내용으로 여기에서 설명되었지만, 당업자는 그 유용성이 그것에 한정되지 않으며 본 발명이 임의의 개수의 목적들을 위해 임의의 개수의 환경들에서 유익하게 구현될 수 있음을 인식할 것이다. 따라서, 아래에 언급되는 청구항들은 여기에 설명된 본 발명의 전체 범위 및 사상의 관점에서 이해되어야 한다.

Claims (21)

  1. 미리 정한 온도로 타겟 재료를 냉각하고; 및
    변형률 및 비정질화 중 적어도 하나를 향상시키기 위해 상기 미리 정한 온도에서 탄소-함유 종으로 타겟 재료를 주입하는 것을 포함하는 이온 주입을 위한 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 타겟 재료는, 후면 냉각, 열적 처리 냉각 및 선-냉각 중 적어도 하나에 의해 냉각되는 이온 주입을 위한 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 미리 정한 온도는 상온 아래 및 -212℃ 위인 이온 주입을 위한 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 미리 정한 온도는 -20℃ 내지 -100℃ 범위 내인 이온 주입을 위한 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 탄소-함유 종은 탄소, 디보란, 펜타보란, 카보란, 옥타보란, 데카보란 및 옥타데카보란 중 적어도 하나를 포함하는 분자 탄소인 이온 주입을 위한 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 탄소-함유 종은 메탄, 에탄, 프로판, 비벤질, 부탄 및 피렌 중 적어도 하나를 포함하는 알칸 또는 알켄인 이온 주입을 위한 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 향상된 선-비정질화 주입(PAI) 또는 향상된 타겟 재료의 컨덕턴스를 위해 추가적인 종으로 타겟 재료를 주입하는 것을 더 포함하는 이온 주입을 위한 방법.
  8. 청구항 8에 있어서, 상기 추가적인 종은 게르마늄(Ge), 붕소(B), 인(P), 규소(Si), 비소(As), 크세논(Xe), 탄소(C), 질소(N), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 금(A), 카보란(C2B10H12), 이불화 붕소(BF2), 데카보란, 옥타데카보란, 및 디보란 중 적어도 하나를 포함하는 이온 주입을 위한 방법.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 방법은 상기 타겟 재료에 적어도 변형률을 생성하고 매우-얕은 접합(ultra-shallow junction; USJ)을 형성하기 위해 사용되는 이온 주입을 위한 방법.
  10. 청구항 1에 있어서, 변형률 및 비정질화 중 적어도 하나를 더 향상시키기 위해 도즈, 도즈율(dose rate), 상기 탄소-함유 종 내의 원자들의 수, 원자 에너지 및 압력 중 적어도 하나를 제어하는 것을 더 포함하는 이온 주입을 위한 방법.
  11. 타겟 재료를 미리 정한 온도로 냉각하기 위한 냉각 장치; 및
    변형률 및 비정질화 중 적어도 하나를 향상시키기 위해 상기 미리 정한 온도에서 탄소-함유 종으로 상기 타겟 재료를 주입하기 위한 이온 주입기를 포함하는 이온 주입을 위한 장치.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 냉각 장치는 후면 냉각 장치, 열적 처리 유닛 및 선-냉각기 중 적어도 하나를 포함하는 이온 주입을 위한 장치.
  13. 청구항 11에 있어서, 상기 미리 정한 온도는 상온 아래 및 -212℃ 위인 이온 주입을 위한 장치.
  14. 청구항 11에 있어서, 상기 미리 정한 온도는 -20℃ 내지 -100℃ 범위 내인 이온 주입을 위한 장치.
  15. 청구항 11에 있어서, 상기 탄소-함유 종은 탄소, 디보란, 펜타보란, 카보란, 옥타보란, 데카보란 및 옥타데카보란 중 적어도 하나를 포함하는 분자 탄소인 이온 주입을 위한 장치.
  16. 청구항 11에 있어서, 상기 탄소-함유 종은 메탄, 에탄, 프로판, 비벤질, 부탄 및 피렌 중 적어도 하나를 포함하는 알칸 또는 알켄인 이온 주입을 위한 장치.
  17. 청구항 11에 있어서, 상기 이온 주입기는 플라즈마 도핑 시스템 또는 빔-라인 이온 주입기인 이온 주입을 위한 장치.
  18. 청구항 11에 있어서, 상기 이온 주입기는 향상된 선-비정질화 주입(PAI) 또는 타겟 재료의 향상된 컨덕턴스를 위해 추가적인 종으로 타겟 재료를 더 주입하는 것을 포함하는 이온 주입을 위한 장치.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 추가적인 종은 게르마늄(Ge), 붕소(B), 인(P), 규소(Si), 비소(As), 크세논(Xe), 탄소(C), 질소(N), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 금(A), 카보란(C2B10H12), 이불화 붕소(BF2), 데카보란, 옥타데카보란, 및 디보란 중 적어도 하나를 포함하는 이온 주입을 위한 장치.
  20. 청구항 11에 있어서, 변형률 및 비정질화 중 적어도 하나를 향상시키기 위해 도즈, 도즈율(dose rate), 탄소-함유 종 내의 원자들의 수, 원자 에너지 및 압력 중 적어도 하나를 제어하기 위한 하나 이상의 제어기를 더 포함하는 이온 주입을 위한 장치.
  21. 미리 정한 온도로 타겟 재료를 냉각하기 위한 수단; 및
    변형률 및 비정질화 중 적어도 하나를 향상시키기 위해 상기 미리 정한 온도에서 탄소-함유 종으로 타겟 재료를 주입하기 위한 수단을 포함하는 이온 주입을 위한 장치.
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