KR20120093242A - 이온 소스 구성요소의 세척 방법 - Google Patents

이온 소스 구성요소의 세척 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부분적으로 반도체 및 마이크로전자 제조에 사용되는 이온 주입장치의 이온 소스 구성요소를 세척하는 방법과 관련이 있다. 이온 소스 구성요소는 이온화 챔버 및 이온화 챔버 내에 포함되는 하나 이상의 구성요소를 포함한다. 이온화 챔버의 내부 및/또는 이온화 챔버 내에 포함되는 하나 이상의 구성요소는 그 위에 도펀트 기체, 예를 들어 카르보란(C2B10H12) 내에 포함되는 성분의 적어도 일부의 증착물을 가진다. 그 방법은 이온화 챔버 내로 세척용 기체를 도입하는 단계 및 이온화 챔버의 내부로부터 및/또는 이온화 챔버 내에 포함된 하나 이상의 구성요소로부터 적어도 일부의 증착물을 제거하기에 충분한 조건하에서 증착물과 세척용 기체가 반응하는 단계를 포함한다. 세척용 기체는 F2, 영족 기체 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체 및 임의적인 O2의 혼합물 또는 산소/플루오르-함유 기체 및 영족 기체 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체의 혼합물이다. 증착물은 이온 주입장치의 정상적인 작동에 나쁜 영향을 미쳐 잦은 정지 시간의 발생 및 장치 이용을 감소시킨다.

Description

이온 소스 구성요소의 세척 방법 {METHOD FOR ION SOURCE COMPONENT CLEANING}
본 발명은 부분적으로는 반도체 및 마이크로전자 제조에 이용되는 이온 주입장치의 이온 소스의 구성요소를 세척하는 방법과 관련되어 있다. 이 방법은 세척용 기체 혼합물을 이용하여 도펀트를 주입하는 동안 형성되는 증착물(deposit)을 제거하는 것을 포함한다. 증착물은 이온 주입장치의 정상적인 작동에 나쁜 영향을 미쳐 잦은 정지 시간의 발생시키고 및 장치 이용을 감소시킨다.
이온 주입은 반도체/마이크로전자 제조에 있어서 중요한 공정이다. 이온 주입 공정은 집적 회로 제조에서 반도체 웨이퍼 내로 도펀트 불순물을 도입하기 위해 사용된다. 소기의 도펀트 불순물은 소기의 깊이에서 도핑된 영역을 형성하도록 반도체 웨이퍼 내로 도입된다. 도펀트 불순물은 전기 캐리어를 형성하여 반도체 웨이퍼 물질의 전기 전도도를 바꿀 수 있도록 반도체 웨이퍼 물질과 결합하는 것으로 선택된다. 도입된 도펀트 불순물의 농도는 도핑된 영역의 전기 전도도를 결정한다. 그러한 많은 불순물 영역은 반도체 장치와 같이 집합적으로 기능하는 트랜지스터 구조, 분리 구조 및 다른 전자 구조를 형성하기 위해 필수적으로 형성된다.
이온 주입 공정에서, 기체 물질은 소기의 도펀트 성분을 포함하는 것이 사용된다. 기체는 이온 소스 챔버, 즉, 이온화 챔버 내로 들어오고, 에너지가 챔버 내로 들어와서 기체가 이온화된다. 이온화는 도펀트 성분을 포함하는 이온을 만든다. 이온은 소기 에너지의 이온 빔의 형태로 이온 소스 챔버로부터 추출된다. 추출은 추출 전극 전체에 높은 전압을 가함으로써 이루어질 수 있다. 고순도를 원하는 때에는, 그 빔은 주입하고자 하는 성분을 선택하도록 질량 분석기/필터를 통과하여 이동된다. 그리고 나서, 그 이온 빔은 반도체 웨이퍼 내로 도펀트 성분을 주입하기 위하여 반도체 웨이퍼의 표면으로 가속/감속되어 이동될 수 있다. 그 빔의 이온은 소기의 전기 전도성 영역을 형성하기 위하여 반도체 웨이퍼의 표면에 침투한다.
이온 주입 공정의 문제점은 이온 소스 챔버의 표면 및 이온 소스 챔버 내에 포함된 구성요소 상에 기체 물질 잔류물의 증착이 수반된다는 점이다. 이것은, 예를 들어 이온 소스 챔버 내의 저전압 절연체에 형성된 잔류 증착물에 기인한 전기 단락 및 이온 소스 챔버의 절연체 상에 형성된 잔류 증착물에 기인한 에너지 고전압 스파크와 같이, 이온 소스 챔버의 성공적인 작동을 방해하는 축적된 잔류 증착물을 야기할 수 있다. 그 잔류 증착물은 이온 주입기의 정상적인 작동에 나쁜 영향을 끼칠 수 있고, 잦은 정지 시간을 발생시킬 수 있으며, 장치 이용을 감소시킬 수 있다. 세척을 위해 이온 소스 챔버 및 이온 소스 챔버 내에 포함된 구성요소를 제거하는 경우, 독성 또는 부식성 증기의 방출 때문에 안전 문제 역시 발생할 수 있다. 따라서, 이온 소스 챔버의 성공적인 작동에 어떠한 방해도 최소화하면서 축적된 증착 형성물을 이온 소스 챔버 및 이온 소스 챔버 내에 포함된 구성요소의 표면으로부터 제거하는 것이 필요하다.
그러므로, 이온 소스 챔버 및 이온 소스 챔버 내에 포함된 구성요소의 표면으로부터 축적된 증착 형성물 제거의 필요성이 있다. 이온 소스 챔버의 성공적인 작동에 어떠한 방해도 최소화하기 위한, 이온 소스 챔버 및 이온 소스 챔버 내에 포함된 구성요소의 표면으로부터 축적된 증착 형성물을 제거하는 세척 방법을 개발하는 것이 당 업계에서 바람직할 것이다.
본 발명은 부분적으로는 이온 주입장치의 이온 소스 구성요소의 세척 방법과 관련이 있는데, 여기서 상기 이온 소스 구성요소는 이온화 챔버 및 상기 이온화 챔버 내에 포함된 하나 이상의 구성요소를 포함하고, 여기서 상기 이온화 챔버의 내부 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 상기 하나 이상의 구성요소는 그 위에 도펀트 기체 내에 포함된 성분의 적어도 약간의 증착물을 가지고, 상기 방법은:
F2, 영족 기체 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체 및 임의적인 O2의 혼합물, 또는 산소/플루오르-함유 기체 및 영족 기체 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체의 혼합물을 포함하는 세척용 기체를 상기 이온화 챔버 내로 도입하는 단계; 및
상기 이온화 챔버의 내부로부터 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 상기 하나 이상의 구성요소로부터 증착물의 적어도 일부를 제거하기에 충분한 조건 하에서 상기 세척용 기체와 상기 증착물을 반응시키는 단계를 포함한다.
본 발명은 또한 부분적으로는 이온 주입장치의 이온 소스 구성요소의 세척 방법과 관련있는데, 상기 이온 소스 구성요소는 이온화 챔버 및 상기 이온화 챔버 내에 포함된 하나 이상의 구성요소를 포함하고, 상기 이온화 챔버의 내부 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 상기 하나 이상의 구성요소는 그 위에 카르보란(C2B10H12) 도펀트 기체 내에 포함된 성분의 적어도 약간의 증착물을 가지고, 상기 방법은:
F2, 영족 기체 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체 및 임의적인 O2의 혼합물 또는 산소/플루오르-함유 기체 및 영족 기체 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체의 혼합물을 포함하는 세척용 기체를 상기 이온화 챔버 내로 도입하는 단계; 및
상기 이온화 챔버의 내부로부터 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 상기 하나 이상의 구성요소로부터 상기 증착물의 적어도 일부를 제거하기에 충분한 조건 하에서 상기 세척용 기체를 상기 증착물과 반응시키는 단계를 포함한다.
본 발명은 부분적으로는 또한 이온 주입장치의 이온 소스 구성요소의 도펀트 기체 내에 포함된 성분의 증착물 형성을 막거나 줄이기 위한 방법과 관련이 있는데, 여기서 상기 이온 소스 구성요소는 이온화 챔버 및 상기 이온화 챔버 내에 포함된 하나 이상의 구성요소를 포함하고, 상기 방법은:
상기 이온화 챔버 내에 도펀트 기체를 도입하는 단계;
F2, 영족 기체 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체 및 임의적인 O2의 혼합물 또는 산소/플루오르-함유 기체 및 영족 기체 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체의 혼합물을 포함하는 세척용 기체를 상기 이온화 챔버 내로 주입하는 단계; 및
상기 이온화 챔버 내부에 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 하나 이상의 구성요소에 증착물의 형성을 방지하기 충분한 조건 하에서 상기 도펀트 기체와 상기 세척용 기체를 반응시키는 단계; 또는 상기 도펀트 기체 및 상기 도펀트 기체를 이온화하는 동안 상기 이온화 챔버 내부에 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 상기 하나 이상의 구성요소에 형성된 증착물을 상기 세척 기체와 상기 이온화 챔버 내부에 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 상기 하나 이상의 구성요소에 증착물의 형성을 감소시키기에 충분한 조건하에서 반응시키는 단계를 포함한다.
본 발명은 또한 부분적으로 이온 주입장치의 이온 소스 구성요소에서 카르보란(C2B10H12) 도펀트 기체 내에 포함된 성분의 증착물의 형성을 방지하거나 감소시키는 방법과 관련이 있는데, 여기서 상기 이온 소스 구성요소는 이온화 챔버 및 상기 이온화 챔버 내에 포함된 하나 이상의 구성요소를 포함하고, 상기 방법은:
상기 이온화 챔버 내로 카르보란(C2B10H12)을 포함하는 도펀트 기체를 도입하는 단계;
F2, 영족 기체 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체 및 임의적인 O2의 혼합물, 또는 산소/플루오르-함유 기체 및 영족 기체 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체의 혼합물을 포함하는 세척용 기체를 상기 이온화 챔버 내로 도입하는 단계; 및
상기 이온화 챔버 내부에 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 상기 하나 이상의 구성요소에 증착물의 형성을 방지하기 충분한 조건 하에서 상기 도펀트 기체와 상기 세척용 기체를 반응시키는 단계; 또는 상기 도펀트 기체 및 상기 도펀트 기체를 이온화하는 동안 상기 이온화 챔버 내부에 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 상기 하나 이상의 구성요소에 형성된 증착물을 상기 세척 기체와 상기 이온화 챔버 내부에 및/또는 상기 이온화 챔버 내부에 포함된 상기 하나 이상의 구성요소에 증착물의 형성을 감소시키기에 충분한 조건하에서 반응시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 방법은 카르보란을 주입하는 동안 형성되는 잔류 증착물에 대하여 NF3 기반의 공정과 같은 공지의 공정보다 더 빠른 제거 속도를 제공한다. 본 발명의 방법의 실시는 고객으로 하여금 소기의 세척 작동을 더 빠르게 행하게 할 수 있어, 장치 이용을 향상시킨다. 예를 들어, 사용자는 본 발명에 따라서 카르보란 증착물 제거를 위하여 NF3 기반의 세척을 F2/Ar/O2 기반의 세척 공정으로 대체함으로써, 매일 장치를 이용할 수 있는 추가적인 1시간씩을 얻을 수 있다. 더 빠른 세척 작동은 또한 세척용 기체의 더 적은 사용을 야기하므로, 기체 실린더를 덜 빈번하게 교체할 수 있다. 그러므로, 사용자는 장치의 정지 시간과 기체 실린더를 교체하는 동안 겪는 안전 문제를 더 감소시킬 수 있다.
도 1은 이온 주입 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명에 유용한 다양한 기체 연결 방식의 개략도.
도 3은 본 발명에 유용한 다양한 플라즈마 및 열 활성화 방식의 개략도.
도 4는 제거 속도에 대한 세척용 기체의 유동과 챔버 압력의 영향을 나타낸 그래프.
도 5는 제거 속도에 대한 산소 첨가의 영향을 나타낸 그래프.
이온 주입 공정을 실시하는 동안, 이온 소스 챔버의 벽 및 다른 구성요소 상에 증착물 층이 형성된다. 증착물은 적어도 부분적으로 도펀트 기체 내에 포함된 성분, 예를 들어, 기화된 카르보란(C2B10H12)이다. 도펀트 기체는 고체 소스로부터 얻어질 수 있는데, 예를 들어 카르보란(C2B10H12)은 가열에 의해 기화시키는 고체 소스이다. 이 증착물은 이온-주입장치의 정상적인 작동에 나쁜 영향을 끼치고, 잦은 정지 시간을 발생시키며, 장치 이용을 감소시킨다. 도 1은 이온 주입 시스템의 개략도를 나타낸다. 증착물은 점선 박스로 표시된 이온 소스 챔버의 벽 및 구성요소 상에 형성되고, 본 발명의 세척 방법은 그 영역으로부터 증착물을 제거한다.
앞서 나타낸 바와 같이, 본 발명은 부분적으로 이온 주입장치의 이온 소스 구성요소를 세척하는 방법과 관련되는데, 여기서 상기 이온 소스 구성요소는 이온화 챔버 및 상기 이온화 챔버 내에 포함된 하나 이상의 구성요소를 포함하고, 여기서 상기 이온화 챔버의 내부 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 상기 하나 이상의 구성요소는 도펀트 기체 내에 포함된 성분의 적어도 일부 증착물을 그 위에 가지며, 상기 방법은:
F2, 영족 기체 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체 및 임의적인 O2의 혼합물 또는 산소/플루오르-함유 기체 및 영족 기체 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체의 혼합물을 포함하는 세척용 기체를 상기 이온화 챔버 내로 도입하는 단계; 및
상기 이온화 챔버 내부로부터 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 상기 하나 이상의 구성요소로부터 상기 증착물의 적어도 일부를 제거하기에 충분한 조건 하에서 상기 세척용 기체를 상기 증착물과 반응시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 방법은 주입, 특히 카르보란(C2B10H12)을 주입하는 동안에 형성되는 증착물을 제거하기 위한 세척 화학반응 및 공정을 제공한다. 본 발명의 방법은 도펀트 기체 내에 포함된 성분의 증착물을 제거하기 위한 F2, 영족 기체(He, Ar, Xe 및 Kr) 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체 및 임의적인 O2를 포함하는 세척용 기체 혼합물의 사용과 관련이 있다. 바람직한 실시 양태에서, 세척용 기체는 F2 및 Ar의 혼합물 또는 F2, Ar 및 O2의 혼합물을 포함한다.
세척용 기체 혼합물의 조성은 약 0.1 내지 약 0.3인 F2/[Ar+F2]의 몰 비를 포함한다. 세척용 기체 혼합물의 조성은 약 0.01 내지 약 0.6인 O2/[F2+O2]의 몰 비를 포함한다. 바람직한 기체 혼합물 조성은 약 0.15 내지 약 0.25인 F2/[Ar+F2]의 몰 비 및 약 0.25 내지 약 0.45인 O2/[F2+O2]의 몰 비를 포함한다. 바람직한 실시양태에서, F2와 Ar 기체 혼합물에 O2를 첨가하는 것은 최적의 조건하에서 증착물 제거 속도를 약 30 - 40% 개선시킬 수 있다. 또 다른 실시양태에서, F2와 O2를 별개의 기체로서 사용하는 대신에, Ar과 혼합된 이불화산소(OF2)와 같은 산소/플루오르-함유 기체 또한 세척용 기체로 제공할 수 있다.
세척용 기체의 조성은 바람직하게는 F2/O2/Ar의 혼합물이다. 극점, 즉 F2/[Ar+F2]=0.3 및 O2/[O2+F2]=0.6 에서, 기체 혼합물 1 몰은 각각 0.21, 0.31 및 0.48 몰의 F2, O2 및 Ar을 포함할 것이다. 10-25% OF2 및 나머지 Ar의 희석된 혼합물은 또한 유용한 세척용 기체 혼합물로써 제공될 수 있다. 세척용 기체는 이온화 챔버 및 이온화 챔버 내에 포함된 구성요소의 구조 물질과 비교하여 증착물과의 반응성이 더 높아야 한다.
각 기체는 별개로 또는 미리 혼합된 형태로 공급될 수 있다. 기체는 소스 챔버에 별개로 공급되거나 미리 혼합된 형태로 공급될 수 있다. 본 발명의 방법에서 다양한 기체 연결 방식의 사용이 적합할 수 있다. 예를 들어, 별개의 소스로부터 나온 F2, Ar 및 O2를 혼합하고, 그 혼합물이 이온화 챔버 내로 도입될 수 있다. 그렇지 않으면, 하나의 소스에서 나온 F2 및 Ar과 별개의 소스에서 나온 O2를 혼합하고, 그 혼합물을 이온화 챔버 내로 도입할 수 있다. 또한, 하나의 소스에서 나온 F2, Ar 및 O2를 이온화 챔버 내로 도입할 수도 있다. 예를 들어, 도 2는 다양한 기체 연결 방식을 나타낸다.
예시적인 도펀트 소스는 카르보란(C2B10H12)을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 카르보란을 주입하는 동안, 형성된 증착물은 공정 챔버 내 위치에 의존하여 양이 변화하는 B, C 및 W를 포함한다. 도펀트 기체를 구성하는 다른 예시적인 성분은 인(P) 및 비소(As)를 포함한다. 다른 예시적인 도펀트 기체는 예를 들어, 포스핀(PH3), 아르신(AsH3), 게르만(GeH4), 게르마늄 테트라플루오라이드(GeF4) 및 디보란(B2H6)을 포함한다. 이러한 다른 예시적인 도펀트 소스를 사용한 주입 공정 동안, 형성된 증착물은 각각 P, As, Ge 및 B을 포함할 수 있다. 이온 소스 챔버 내에서 형성된 증착물은 소기의 공정 조건하에서 그들을 F2, Ar 및 임의적인 O2의 혼합물과 접촉하게 함으로써 제거될 수 있다. 소기의 작동 조건하에서 세척용 기체에 일단 노출되면, 증착물은 F2, O2, F 라디칼, O 라디칼 및 OxFy 라디칼과 반응하고, 휘발성 산물로서 제거된다. Ar은 운반 기체로서 제공되고, 또한 활성 성분의 감소로 재결합 반응을 줄인다. He 및 Ne에 비하여 Ar의 낮은 이온화 포텐셜 때문에, He 및 Ne과 같은 다른 영족 기체에 비해 Ar이 운반 기체로 바람직하다. 또한, Kr, Xe 및 Rn에 비하여, Ar의 값이 싸기 때문에 선호되는 후보이다. N2는 Ar과 비교하여 매우 유사한 비용 구조 및 이온화 포텐셜을 가진다. 그러나, N2/F2보다 Ar/F2를 사용하는 경우 W에 대한 부식 속도가 낮아서, N2보다 Ar이 운반 기체로 바람직하다. W는 이온화 챔버 및 이온화 챔버 내에 포함되는 구성요소의 일반적인 구조 물질이다.
본 발명의 방법은 소기의 세척 작용을 얻기 위해 열 및/또는 플라즈마 기반의 활성화를 이용할 수 있다. 세척용 기체는 플라즈마에 의해 멀리서 활성화되어 활성종이 소스 챔버로 이동될 수 있거나, 플라즈마가 소스 챔버 내 현장에서(in situ) 발생될 수 있다. 바람직한 방식은 열 및 플라즈마 활성화를 조합하여 사용한다. 세척 공정 동안, 반응 온도는 약 25℃ 내지 약 1000℃의 범위일 수 있다. 바람직하게는, 이온화 챔버의 온도는 약 200℃ 내지 약 1000℃의 범위일 수 있다. 세척 공정 동안, 반응 압력은 약 0.1 torr 내지 약 10 torr의 범위일 수 있다. 바람직하게는, 이온화 챔버 내의 압력은 약 0.1 torr 내지 약 1 torr의 범위일 수 있다.
세척용 기체는 열, 플라즈마 또는 둘의 조합을 받아, 활성 라디칼/이온을 생산한다. 예를 들어, 도 3은 상이한 플라즈마 및 열 활성화 방식을 나타낸다. 본 발명의 실시양태에서, 열 활성화뿐만 아니라, 플라즈마 활성화를 도입하는 경우, 제거 속도는 예를 들어 3 배의 개선과 같이, 눈에 띄게 개선될 수 있다. 열적 활성화는 이온 소스 챔버 또는 이온 소스 챔버의 적어도 일부를 소기의 온도로 유지함으로써 제공될 수 있다. 기체는 예를 들어, 도 3a 및 3b의 원격 플라즈마 방식과 같은 원격 플라즈마 시스템을 이용한 플라즈마 활성화를 받고, 이후 라디칼/이온을 소스 챔버로 이동시킬 수 있다.
세척용 기체를 이온화 챔버 내로 도입하기 전에, 세척용 기체는 플라즈마 챔버로 도입될 수 있다. 세척용 기체를 플라즈마 챔버 내에서 여기시켜 플라즈마를 발생시킨다. 그 후, 플라즈마로부터 이온, 라디칼, 중성입자 및 다른 해리된 종은 이온화 챔버 내로 도입된다. 예를 들어, 도 3a를 보면 알 수 있다.
이온화 챔버 내로 상기 세척용 기체를 도입하기 전에, F2/Ar을 포함하는 세척용 기체를 플라즈마 챔버 내로 도입할 수 있다. 그 세척용 기체는 플라즈마 챔버 내에서 여기되어, 플라즈마를 발생시킨다. 플라즈마로부터 이온, 라디칼, 중성입자 및 다른 해리된 종은 상기 플라즈마 챔버로부터 제거되고, O2와 혼합되어 기체 스트림을 생성한다. 그 후, 기체 스트림은 이온화 챔버 내로 주입된다. 예를 들어, 도 3b를 보면 알 수 있다.
그렇지 않으면, 플라즈마는 소스 챔버 내 현장에서(in situ), 예를 들어 도 3c의 직접 플라즈마 방식으로 발생될 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 플라즈마는 이온 소스 챔버 내 현장에서 발생되는데, 이는 소스 챔버 내의 캐소드 및 안티-캐소드를 가로질러 소기 포텐셜을 제공함으로써 쉽게 얻을 수 있다. 직접 플라즈마 방식은 원격 플라즈마 방식보다 (i) 유선에서 활성 라디칼 또는 이온의 손실이 없는 점, (ii) 추가적인 원격 플라즈마 장치가 필요하지 않은 점 및 (iii) 현장 플라즈마 발생은 이온 소스 챔버 벽의 온도를 열 활성화를 위해 요구되는 소기의 값으로 상승시키기에 충분한 열 에너지를 생산하는 점을 포함하여 여러 가지 잠재적인 장점을 가진다.
온도, 압력 및 접촉 시간과 같은 증착물과 세척용 기체의 반응에 대한 반응 조건은 또한 크게 다를 수 있다. 이온화 챔버의 내부로부터 및/또는 이온화 챔버 내에 포함된 하나 이상의 구성요소로부터 증착물의 적어도 일부를 제거하기에 충분한 그러한 조건의 임의의 적합한 조합이 여기에서 이용될 수 있다. 세척 공정 동안 이온화 챔버의 압력은 약 0.1 내지 약 10 torr, 바람직하게는 약 0.1 내지 약 1.0 torr의 범위일 수 있다. 세척 공정 동안 이온화 챔버의 온도는 약 25℃ 내지 약 1000℃, 바람직하게는 약 400℃ 내지 약 600℃의 범위일 수 있다. 이온화 챔버 내 증착물과 세척용 기체의 반응 시간은 약 30초 내지 약 45분의 범위일 수 있다. 바람직한 반응 시간은 사용자가 실시하는 세척 주기에 따라서 다르다. 세척용 기체의 유속은 약 10 내지 약 1000 sccm, 바람직하게는 약 50 내지 약 250 sccm의 범위일 수 있다.
증착물과 세척용 기체의 반응 및 이온화 챔버의 내부 벽으로부터 및/또는 이온화 챔버 내에 포함된 하나 이상의 구성요소로부터 증착물의 적어도 일부의 제거 후에, 증착물은 휘발성 산물로써 이온화 챔버로부터 제거된다. 그 후, 이온화 챔버는 배기될 수 있고, 세척 공정은 필요한 만큼 여러 번 반복될 수 있다. 배기된 휘발성 산물은 소각로, 습식/건식 세정기 등과 같은 제거용 장치로 직접 보내질 수 있다.
또한 앞서 나타낸 바와 같이, 본 발명은 부분적으로 또한 이온 주입장치의 이온 소스 구성요소의 세척 방법과 관련이 있는데, 상기 이온 소스 구성요소는 이온화 챔버 및 상기 이온화 챔버 내에 포함된 하나 이상의 구성요소를 포함하고, 상기 이온화 챔버의 내부 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 상기 하나 이상의 구성요소는 카르보란(C2B10H12) 도펀트 기체 내에 포함된 구성성분에 대한 적어도 일부의 증착물을 그 위에 가지고, 상기 방법은:
F2, 영족 기체 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체 및 임의적인 O2의 혼합물 또는 산소/플루오르-함유 기체 및 영족 기체 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체의 혼합물을 포함하는 세척용 기체를 상기 이온화 챔버 내로 주입하는 단계; 및
상기 이온화 챔버 내부로부터 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 상기 하나 이상의 구성요소로부터 상기 증착물의 적어도 일부를 제거하기에 충분한 조건 하에서 상기 세척용 기체를 상기 증착물과 반응시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 방법은 앞선 주입 공정 동안 증착물이 형성된 후에 증착물을 세척하기 위한 것이다. 대체적인 방식으로, 세척용 기체 혼합물은 주입 공정이 진행되는 동안에 도펀트 소스 기체와 함께 계속해서 공급될 수 있다.
앞서 나타낸 바와 같이, 본 발명은 부분적으로 이온 주입장치의 이온 소스 구성요소의 도펀트 기체 내에 포함된 성분의 증착물의 형성을 방지 또는 감소하는 방법과 관련이 있는데, 여기서 상기 이온 소스 구성요소는 이온화 챔버 및 상기 이온화 챔버 내에 포함된 하나 이상의 구성요소를 포함하고, 상기 방법은:
상기 이온화 챔버에 도펀트 기체를 도입하는 단계;
F2, 영족 기체 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체 및 임의적인 O2의 혼합물 또는 산소/플루오르-함유 기체 및 영족 기체 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체의 혼합물인 세척용 기체를 상기 이온화 챔버 내로 도입하는 단계; 및
상기 이온화 챔버 내부에 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 하나 이상의 구성요소에 증착물의 형성을 방지하기 충분한 조건 하에서 상기 도펀트 기체 및 상기 세척용 기체를 반응시키는 단계; 또는 상기 도펀트 기체 및 상기 도펀트 기체를 이온화하는 동안 상기 이온화 챔버 내부에 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 상기 하나 이상의 구성요소에 형성된 증착물을 상기 세척 기체와 상기 이온화 챔버 내부에 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 상기 하나 이상의 구성요소에 증착물의 형성을 감소시키기에 충분한 조건하에서 반응시키는 단계를 포함한다.
특히, 본 발명은 부분적으로 이온 주입장치의 이온 소스 구성요소의 카르보란(C2B10H12) 도펀트 기체 내에 포함된 성분의 증착물의 형성을 방지 또는 감소시키는 방법과 관련이 있는데, 여기서 상기 이온 소스 구성요소는 이온화 챔버 및 상기 이온화 챔버 내에 포함된 하나 이상의 구성요소를 포함하고, 상기 방법은:
상기 이온화 챔버 내로 카르보란(C2B10H12)을 포함하는 도펀트 기체를 도입하는 단계;
F2, 영족 기체 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체 및 임의적인 O2의 혼합물 또는 산소/플루오르-함유 기체 및 영족 기체 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체의 혼합물인 세척용 기체를 상기 이온화 챔버 내로 도입하는 단계; 및
상기 이온화 챔버 내부에 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 하나 이상의 구성요소에 증착물의 형성을 방지하기 충분한 조건 하에서 상기 도펀트 기체와 상기 세척용 기체를 반응시키는 단계; 또는 상기 도펀트 기체 및 상기 도펀트 기체를 이온화하는 동안 상기 이온화 챔버 내부에 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 상기 하나 이상의 구성요소에 형성된 증착물을 상기 세척용 기체와 상기 이온화 챔버 내부에 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 상기 하나 이상의 구성요소에 증착물의 형성을 감소시키기에 충분한 조건하에서 반응시키는 단계를 포함한다. 이 방법은 기판으로의 주입을 위해 상기 이온화 챔버로부터 이온 빔을 추출하는 단계를 더 포함한다.
이온화 챔버 내부에 및/또는 이온화 챔버 내에 포함된 상기 하나 이상의 구성요소에 증착물의 형성을 방지 또는 감소하는 방법에서, 세척용 기체 혼합물의 조성은 여기서 설명하는 것일 수 있다. 이 증착물 방지 방법은 현장 세척 방법이고, 작동의 동시-유출(co-bleed) 방식이라고 불릴 수 있다.
세척용 기체와 도펀트 기체의 반응을 위한 온도, 압력 및 접촉 시간과 같은 반응 조건은 또한 크게 다를 수 있다. 이온화 챔버의 내부로부터 및/또는 이온화 챔버 내에 포함된 하나 이상의 구성요소로부터 증착물의 형성을 방지하거나 줄이기에 충분한 그러한 조건의 임의의 적합한 조합이 여기에서 이용될 수 있다. 도펀트 기체에 대한 세척용 기체의 비율은 약 0.1:1 내지 약 3:1 보다 큰 범위일 수 있다. 이온화 챔버 압력은 약 0.1 내지 약 5 millitorr, 바람직하게는 약 0.5 내지 약 2.5 millitorr의 범위일 수 있다. 이온화 챔버 온도는 약 25℃ 내지 약 1000℃, 바람직하게는 약 400℃ 내지 약 600℃의 범위일 수 있다. 세척용 기체의 유속 및 도펀트 기체의 유속은 공정에서 일반적으로 비슷한 자릿수이다. 바람직하게는, 세척용 기체와 도펀트 기체의 유속은 약 0.1 내지 약 10 sccm, 더 바람직하게는 약 0.5 내지 약 3 sccm의 범위일 수 있다.
동시 유출 방식의 작동에서, 세척 시간은 도펀트 및 세척용 기체가 흐르는 시간과 같다. 그러므로, 이 시간은 사용자의 공정 시간에 의존한다. 세척 시간은 공정 처리법뿐만 아니라, 웨이퍼와 제조공장 설비의 수에 의존한다. 작동의 동시 유출 방식에서, 남아있는 임의의 증착물의 제거를 확실히 하기 위해 사용자는 도펀트 기체를 멈춘 후라도 세척용 기체를 계속하여 흐르게 할 수 있다.
이온화 챔버 내부에 및/또는 이온화 챔버 내에 포함된 상기 하나 이상의 구성요소에 증착물의 형성을 방지 또는 감소하는 방법은 여기서 설명한 바와 같은 열/플라즈마 기반의 활성화를 이용한다. 도펀트 기체는 이온화 챔버 내의 방전 플라즈마에 의해 이온화되고, 이온화 챔버 벽 및 이온화 챔버 내에 포함된 구성요소의 온도는 뜨거워진 캐소드로부터 전도 및/또는 복사 때문에 증가한다.
열/플라즈마 기반의 활성화에서, 플라즈마는 도펀트 기체, 즉, 카르보란(C2B10H12)의 해리 및 이온화된 구성 성분 및 세척용 기체, 즉 F2, Ar 및 임의적인 O2의 해리 및 이온화된 구성 성분을 포함할 수 있다. 도펀트 기체의 해리 및 이온화된 구성 성분은 세척용 기체의 해리 및 이온화된 구성성분과 반응하여, 이온화 챔버 내부에 및/또는 이온화 챔버 내에 포함된 하나 이상의 구성요소 상에 이온화 가능한 도펀트 기체 내에 포함된 성분의 증착물 형성을 방지하거나 감소시킨다. 질량 유량 조절장치는 이온화 챔버 내로 도입되는 도펀트 기체에 대한 세척용 기체의 비율을 조절하기 위하여 사용될 수 있다. 도펀트 기체에 대한 세척용 기체의 비율은 약 0.1:1 내지 약 3:1보다 큰 범위일 수 있다.
본 발명의 다양한 수정과 변형은 통상의 기술자에게 자명할 것이고, 그러한 수정과 변형은 본 발명의 범위 및 본 청구범위의 사상과 범위 내에 포함된다는 것을 이해하여야 한다.
실시예 1
NF3 세척용 기체의 성능을 본 발명에 사용되는 세척용 기체 화학 물질의 다양한 변형과 비교하였다. 유사한 공정 조건 하에서, F2/Ar 및 F2/Ar/O2 혼합물은 NF3에 비해 더 나은 제거 속도를 보여주었다(아래의 표 1 및 표 2). 열 활성화된 세척 공정에서, F2/Ar/O2는 낮은 온도에서도, 2배보다 더 빠른 잔류 증착물 제거 속도를 보였다. 또한, 플라즈마 및 열 활성화 조합 하에서 작동시킨 경우, F2/Ar/O2 기반의 화학 물질은 NF3 기반의 화학 물질보다 더 나은 제거 속도를 보였다. 또한, NF3 내의 N-F 결합과 비교할 때 F2 내의 F-F 결합의 낮은 결합 해리 에너지 때문에, NF3 플라즈마와 비교할 때 완전하게 해리된 F2 플라즈마를 유지하기 위해서는 더 적은 플라즈마 동력이 요구된다. 더 높은 잔류 증착물 제거 속도와 함께 낮은 동력 요구 조건의 조합은 사용자로 하여금 소기의 세척 작동을 행할 수 있는 더 넓은 공정 윈도우를 제공한다.
활성화 방식: 열
세척용 기체 O2/F2 몰 비 압력
(Torr)
온도
(℃)
제거 속도
(μm/min/100 sccF)
NF3/Ar NA 3.0 800 0.7
F2/Ar/O2 0.0 3.0 600 1.5
활성화 방식: 플라즈마 + 열
세척용 기체 O2/F2 몰 비 압력
(Torr)
온도
(℃)
제거 속도
(μm/min/100 sccF)
NF3/Ar NA 3.0 400 1.2
F2/Ar/O2 0.0 3.0 400 1.6
F2/Ar/O2 0.4 3.0 400 2.1
실시예 2
실험은 다양한 작동 조건에서 카르보란 도펀트 기체로부터 증착물의 제거 속도를 평가하는 것으로 행해졌다. 도 4는 F2/O2/Ar 혼합물 (F2:O2:Ar-0.18:0.09:0.73) 및 F2/Ar 혼합물 (F2:Ar-0.20:0.80)의 다양한 유속에서 관찰한 제거 속도를 나타낸다. 이 실험에서 사용한 혼합물의 조성은 다음과 같다:
F2/O2/Ar 혼합물:F2:O2:Ar=0.18:0.09:0.73, 즉, F2/[F2+Ar]=0.20 및 O2/[O2+F2]=0.33
F2/Ar 혼합물: F2:Ar=0.20:0.80, 즉, F2/[F2+Ar]=0.20
도 4는 제거 속도에 대한 세척용 기체 유속 및 챔버 압력의 영향을 나타낸다. 각 데이터 점 옆에 실린 압력 값은 해당하는 실험 동안의 챔버 압력이다. 세척용 기체의 유속(및 해당하는 챔버의 압력)이 약 5배의 감소하는 경우, F2/Ar 및 F2/O2/Ar 혼합물의 두 경우 모두 제거 속도는 단지 각각 약 1.9배 및 약 1.6배 떨어지는 것이 관찰되었으므로, 낮은 유속-낮은 압력 방식에서 세척용 기체가 더 효과적으로 이용됨을 나타낸다. 또한, 직접 플라즈마 방식에서 세척을 수행하는 경우, 이온 소스 챔버에서 낮은 압력(1.0 torr 미만)을 유지하는 것은 발생되는 플라즈마의 물리적 위치 때문에 바람직하다. 플라즈마가 챔버 주위로 퍼지려고 하여 더 균일한 세척을 제공하는 낮은 압력 작동과 달리, 더 높은 압력에서, 플라즈마는 아크 챔버 내의 캐소드 영역 주위에 위치하려고 할 것이다. 그 결과는 의미있는 높은 제거 속도는 약 200 sccm의 F2/Ar/O2 혼합물 및 0.7 torr의 챔버 압력을 사용하여 얻을 수 있다는 것을 보여준다. 자세한 주입장치 구성에 기반한 더 나은 최적화 또한 가능하다.
도 5는 세척용 기체 혼합물의 제거 속도 성능에 있어 산소 추가의 효과를 나타낸다. 처음에 제거 속도는 기체 혼합물 내 O2의 상대적인 농도가 증가함에 따라 증가되나, O2의 농도가 계속하여 증가함에 따라 반대의 효과가 관찰되었다. 샘플을 순수한 산소 스트림에 둔 경우, 제거 속도는 영으로 떨어졌다. 그 결과는 세척용 기체 혼합물 내에서 O2 몰분율[O2 몰수/(O2 몰수 + F2 몰수)]의 바람직한 범위는 약 0.3 내지 0.5임을 시사했다.

Claims (20)

  1. F2, 영족 기체 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체 및 임의적인 O2의 혼합물 또는 산소/플루오르-함유 기체 및 영족 기체 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체의 혼합물을 포함하는 세척용 기체를 이온화 챔버 내로 도입하는 단계; 및
    이온화 챔버의 내부로부터 및/또는 상기 이온화 챔버에 포함된 하나 이상의 구성요소로부터 증착물의 적어도 일부를 제거하기에 충분한 조건 하에서 상기 증착물이 상기 세척용 기체와 반응하는 단계
    를 포함하고,
    여기서 상기 이온 소스 구성요소가 이온화 챔버 및 상기 이온화 챔버 내에 포함된 하나 이상의 구성요소를 포함하고, 여기서 상기 이온화 챔버 내부 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 하나 이상의 구성요소가 도펀트 기체 내에 포함된 성분의 적어도 약간의 증착물을 가지는, 이온 주입장치의 이온 소스 구성요소의 세척 방법.
  2. 제1항에 있어서, 세척용 기체가 F2 및 Ar의 혼합물, F2, Ar 및 O2의 혼합물, 또는 이불화산소(OF2) 및 Ar의 혼합물로 구성된 방법.
  3. 제2항에 있어서, 별개의 소스로부터의 F2, Ar 및 O2를 혼합하고, 상기 혼합물을 상기 이온화 챔버 내로 도입시키거나; 하나의 소스로부터의 F2 및 Ar, 별개의 소스로부터의 O2를 혼합하고, 상기 혼합물을 상기 이온화 챔버 내로 도입시키거나; 또는 하나의 소스로부터의 F2, Ar 및 O2를 상기 이온화 챔버 내로 도입시키는 방법.
  4. 제2항에 있어서, F2/[Ar+F2]의 몰 비가 약 0.1 내지 약 0.3 및 O2/[F2+O2]의 몰 비가 약 0.01 내지 약 0.6인 방법.
  5. 제2항에 있어서, F2/[Ar+F2]의 몰 비가 약 0.15 내지 약 0.25 및 O2/[F2+O2]의 몰 비가 약 0.25 내지 약 0.45인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 도펀트 기체가 카르보란(C2B10H12)을 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 증착물이 B (보론), C (탄소), W (텅스텐) 및 이들의 혼합물로부터 선택된 성분을 포함하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 방법이 상기 세척용 기체의 열 및/또는 플라즈마 기반의 활성화를 이용하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, (i) 상기 이온화 챔버 내에 상기 세척용 기체를 도입하기 전에, 플라즈마 챔버 내로 상기 세척용 기체를 도입하는 단계, 플라즈마가 발생하도록 상기 플라즈마 챔버 내에서 상기 세척용 기체를 여기시키는 단계 및 상기 이온화 챔버 내로 이온, 라디칼, 중성입자 및 다른 해리된 종을 도입하는 단계, (ii) 상기 이온화 챔버 내로 상기 세척용 기체를 도입하는 단계 및 플라즈마가 발생하도록 상기 이온화 챔버 내에서 상기 세척용 기체를 여기시키는 단계, 또는 (iii) 상기 이온화 챔버 내에 상기 세척용 기체를 도입하기 전에, 플라즈마 챔버 내에 F2/Ar을 포함하는 상기 세척용 기체를 도입하는 단계, 플라즈마를 만들기 위해 상기 플라즈마 챔버 내에서 상기 세척용 기체를 여기시키는 단계, 상기 플라즈마 챔버로부터 상기 플라즈마에서 나온 이온, 라디칼, 중성입자 및 다른 해리된 종을 제거하는 단계, 기체 스트림을 만들기 위해 플라즈마에서 나온 상기 이온, 라디칼, 중성입자 및 다른 해리된 종을 O2와 혼합하는 단계 및 상기 기체 스트림을 상기 이온화 챔버내로 도입하는 단계를 더 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 증착물과 상기 세척용 기체의 반응이 상기 이온화 챔버 내에서, 약 25℃ 내지 약 1000℃의 온도에서 행해지는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 증착물과 상기 세척용 기체의 반응이 상기 이온화 챔버 내에서 약 0.1 torr 내지 약 10 torr의 압력에서 행해지는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 증착물과 상기 세척용 기체의 반응이 상기 이온화 챔버 내에서 약 30 초 내지 약 45 분의 반응시간에서 행해지는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 세척용 기체가 약 10 sccm 내지 약 1000 sccm의 유속에서 상기 이온화 챔버 내로 도입되는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 반응 후에 상기 이온화 챔버를 배기하는 단계를 더 포함하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 방법을 1회 이상 반복하는 단계를 더 포함하는 방법.
  16. F2, 영족 기체 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체 및 임의적인 O2의 혼합물 또는 산소/플루오르-함유 기체 및 영족 기체 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체의 혼합물을 포함하는 세척용 기체를 이온화 챔버 내로 주입하는 단계; 및
    상기 이온화 챔버의 내부로부터 및/또는 상기 이온화 챔버에 포함된 상기 하나 이상의 구성요소로부터 증착물의 적어도 일부를 제거하기에 충분한 조건 하에서 상기 증착물이 상기 세척용 기체와 반응하는 단계
    를 포함하고,
    여기서 상기 이온 소스 구성요소가 이온화 챔버 및 상기 이온화 챔버 내에 포함된 하나 이상의 구성요소를 포함하고, 여기서 상기 이온화 챔버 내부 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 하나 이상의 구성요소가 카르보란(C2B10H12) 도펀트 기체 내에 포함된 성분의 적어도 약간의 증착물을 가지는, 이온 주입장치의 이온 소스 구성요소의 세척 방법.
  17. 도펀트 기체를 이온화 챔버 내로 도입하는 단계;
    F2, 영족 기체 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체 및 임의적인 O2의 혼합물 또는 산소/플루오르-함유 기체 및 영족 기체 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체의 혼합물을 포함하는 세척용 기체를 상기 이온화 챔버 내로 도입하는 단계; 및
    상기 이온화 챔버 내부에 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 하나 이상의 구성요소에 상기 도펀트 기체 내에 포함된 성분의 증착물의 형성을 방지하기에 충분한 조건 하에서 상기 도펀트 기체와 상기 세척용 기체가 반응하는 단계; 또는 상기 이온화 챔버 내부에 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 하나 이상의 구성요소에 증착물의 형성을 감소시키기에 충분한 조건 하에서 상기 도펀트 기체 및 상기 도펀트 기체가 이온화하는 동안 상기 이온화 챔버 내부에 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 상기 하나 이상의 구성요소에 형성되는 증착물이 상기 세척용 기체와 반응하는 단계
    를 포함하고,
    여기서 상기 이온 소스 구성요소가 이온화 챔버 및 상기 이온화 챔버 내에 포함된 하나 이상의 구성요소를 포함하는, 이온 주입장치의 이온 소스 구성요소에서의 도펀트 기체 내에 포함된 성분의 증착물의 형성을 방지 또는 감소시키는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 기판으로의 주입을 위해 상기 이온화 챔버로부터 이온 빔을 추출시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 방법이 상기 도펀트 기체와 상기 세척용 기체의 열/플라즈마 기반의 활성화를 이용하는 방법.
  20. 카르보란(C2B10H12)을 포함하는 도펀트 기체를 이온화 챔버 내로 도입하는 단계;
    F2, 영족 기체 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체 및 임의적인 O2의 혼합물 또는 산소/플루오르-함유 기체 및 영족 기체 및/또는 질소로부터 선택된 하나 이상의 비활성 기체 혼합물을 포함하는 세척용 기체를 상기 이온화 챔버 내로 주입하는 단계; 및
    상기 이온화 챔버 내부에 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 하나 이상의 구성요소에 상기 카르보란(C2B10H12) 도펀트 기체 내에 포함된 성분의 증착물 형성을 방지하기에 충분한 조건 하에서 상기 세척용 기체와 상기 도펀트 기체가 반응하는 단계; 또는 상기 이온화 챔버 내부에 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 상기 하나 이상의 구성요소에 증착물의 형성을 감소시키기에 충분한 조건 하에서 상기 도펀트 기체 및 상기 도펀트 기체가 이온화하는 동안 상기 이온화 챔버 내부에 및/또는 상기 이온화 챔버 내에 포함된 상기 하나 이상의 구성요소에 형성되는 증착물이 상기 세척용 기체와 반응하는 단계
    를 포함하고,
    여기서 상기 이온 소스 구성요소가 이온화 챔버 및 상기 이온화 챔버 내에 포함된 하나 이상의 구성요소를 포함하는, 이온 주입장치의 이온 소스 구성요소에서의 카르보란(C2B10H12) 도펀트 기체 내에 포함된 성분의 증착물의 형성을 방지 또는 감소시키는 방법.
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