KR20140018392A - 이온 빔 장치와 자기 스캐닝을 채용한 방법 - Google Patents

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힐튼 에프. 글래비쉬
데일 콘래드 제이콥슨
토마스 엔. 호르스키
새미 케이. 하흐토
나리아키 하마모토
마사오 나이토
노부오 나가이
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세미이큅, 인코포레이티드
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Abstract

빔 경로에 굴곡을 도입하는 자기 스캐너와 자기 시준기 조합체에 의해 후속되는 질량 분석기 자석을 포함하는 다목적 이온 주입기 빔 라인 구성체로서,
상기 빔 라인은 공통 단원자 도펀트 이온 종(species) 클러스터 이온의 주입을 가능케 하기 위해 구성되고, 상기 빔 라인 구성체는 질량 선택 애퍼처와, 상기 자석의 강자성 자극 간의 실질적인 폭의 자극 간격을 한정하는 질량 분석기 자석을 구비하며, 상기 분석기는 적어도 약 80 mm 높이와 적어도 약 7 mm 폭의 슬롯형 이온 소스 추출 애퍼처로부터 이온 빔을 수용하고, 상기 빔의 폭에 대응하는 평면 내의 상기 질량 선택 애퍼처에서 분광을 생성하기 위해 크기가 정해지고, 상기 질량 선택 애퍼처는 상기 동일한 도펀트 종의 클러스터 이온의 빔을 선택하기 위해 크기가 정해진 질량-선택 폭이지만 증가적으로 다른 분자 무게로 설정될 수 있으며, 상기 질량 선택 애퍼처는 또한 실질적으로 더 좁은 질량-선택 폭으로 설정될 수 있으며, 상기 분석기 자석은 실질적으로 단일 원자 또는 분자 폭의 단원자 도펀트 이온의 빔을 선택할 수 있기에 충분한 질량 선택 애퍼처에서 분해능(resolution)을 가지며, 상기 자기 스캐너 및 자기 시준기는 동일한 의미에서 이온 빔을 연속적으로 구부리기 위해 구성되는데, 이는 상기 빔 라인의 분석기 자석에 의해 도입된 굴곡의 것과는 반대 의미인, 다목적 이온 주입기 빔 라인 구성체가 개시된다.

Description

이온 빔 장치와 자기 스캐닝을 채용한 방법{ION BEAM APPARATUS AND METHOD EMPLOYING MAGNETIC SCANNING}
본 출원은 2007년 6월 13일에 출원된 국제 특허 출원 번호 PCT/US2007/013985의 35 U.S.C.§371하의 미합중국 국내 단계이며, 2006년 6월 13일에 출원된 미합중국 가출원 번호 60/813,431로의 우선권과 이득을 주장한다.
본 발명의 분야는 이온을 반도체 웨이퍼와 다른 기판 목표물로 주입하는 것에 대한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 주기율표에서 C, Si, Ge와 Sn의 제4족 원소(group IV elements)의 양쪽에 있는 B, P, As, Sb, 및 In 원소와 같은 전기적 도펀트종(species)의 다중 원자를 포함하는 분자 이온을 효율적으로 주입하는 것에 대한 것과, 예를 들면, 비정질화, 도펀트 확산 제어, 응력 공학, 또는 결함 제거를 달성하기 위해 반도체 기판을 수정하기 위해 현재 사용되고 있는 C, Si 또는 Ge와 같은 원소의 다중 원자를 포함하는 분자 이온을 효율적으로 주입하는 것에 대한 것이다. 이러한 분자 주입, 특히 해당되는 다수의 원자, 즉 4개 이상의 원자를 갖는 이온을 사용하는 주입은 60 nm 이하의 임계 치수를 갖는 집적 회로를 제도하기 위해 유용하다. 본 발명의 분야는 공통적으로 사용되는 단일 원자 도펀트 이온을 위해 또한 적합한 주입기 빔 라인 구성에 대한 것이며, 특히 상기 언급된 이온의 모든 3개의 분류를 주입하기 위해 유용한 다목적 주입기 빔라인 구성에 대한 것이다.
높은 조사량(dose) 저 에너지 주입에 대해서, 해당되는 다수의 원소의 원자를 포함하는 분자 이온을 사용하는 잠재적인 이점은 다년간 잘 인정되었다. 주어진 이온 빔 전류에 대해서, 조사량은 해당 원소의 원자의 개수에 비례해서 증대된다. 이러한 이온은 소스로부터 추출되어서 해당 원소의 원자 질량에 대한 분자 질량의 비에 비례해서 훨씬 더 높은 에너지에서 웨이퍼 또는 다른 목적 기판으로 운반된다. 결과적으로, 상대적으로 높은 조사량 주입에 대해서, 웨이퍼 처리량은 내부 공간 전하력과 이온 빔 내의 고유 열 이온 온도에 의해서 크게 제한되지는 않는다. 또한, 주어진 조사량에 대해서, 빔에 의해 웨이퍼로 전달되는 전하는 실질적으로 낮다.
하지만, 종래의 주입기에서 이러한 분자 이온을 사용하려고 시도할 때, 존재하는 다수의 단점을 극복하는 것이 바람직하다. 먼저, 종래의 이온 주입기의 이온 소스는 상대적으로 높은 밀도를 가지며, 고온 플라즈마와 무거운 분자 이온은 종종 낮은 분자 이온 수득률을 초래하는 소스와 같은 것에 의해 실질적으로 해체된다. 두 번째로, 이온 내에서 수소 원자의 다양한 분량의 결과로서, 그리고 또한 만약 생성된 이온 내에 하나 보다 많은 동위 원소가 존재한다면 동위 집단의 이항 분포의 결과로서 한 범위의 집단이 종종 생성된다. 다른 질량 이온은 일반적으로 주입기 빔 라인을 통해 다른 경로를 설명하고, 결과적으로 웨이퍼의 표면상에서 바람직하지 못한 각 및/또는 조사량 변화를 생성할 수 있다. 셋째로, 종래의 분석기 자석(또는 사용된 경우 다른 자기 요소)의 제한된 자기장 강도와 크기 때문에 분자 이온의 비교적 큰 질량은 단일 원자 주입 에너지, 즉, 종종 수 keV로 제한한다.
이온 주입기 도구를 구성하고 작동하는 것과 관련된 상업적 비용을 최소화하기 위해, 다목적이고, 분자 이온을 주입하는 것과 관련된 단점을 극복할 뿐만 아니라 공통적인 단원자 도펀트 종을 주입할 수 있는 이온 주입기를 갖는 것이 또한 요구된다.
더 나아가, 공통적인 단원자 도펀트 종을 주로 주입하기 위해 구성된 이온 주입기를 사용할 찌라도, 일반적으로 요구되는 큰 동적 범위의 조사량을 충족하고, 반도체 구조를 열화할 이온 종으로부터의 자유도에 대해서 그리고 이온 에너지 분해능(resolution)에 대해서 목표에서 높은 이온 순도를 제공하고, 웨이퍼의 표면에 걸쳐서 작은 각도의 확산, 양호한 각도의 선명도, 그리고 양호한 조사량 균일성을 가지고 웨이퍼 기판 상에 이온을 충돌시키기 위해 빔 내의 광범위한 이온 밀도 상의 효율적인 작동을 가능하게 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 양상에 따라, 다목적 이온 주입기 빔 라인 구성은 자기 스캐너에 의해 후속되는 질량 분석기 자석과, 굴곡을 빔 경로에 도입하는 자기 시준지 조합체를 포함하고, 빔 라인은 공통 단원자 도펀트 이온 종 클러스트 이온의 주입을 가능하게 하기 위해 구성되고, 빔 라인 구성은 자석의 강자성극과 질량 선택 애퍼처간의 상당한 폭의 극 틈을 한정하는 질량 분석기 자석을 가지며, 상기 분석기 자석은 적어도 약 80 mm 높이이고 적어도 약 7 mm 폭인 슬롯형의 이온 소스 추출 애퍼처로부터 이온 빔을 수용하고, 빔의 폭에 대응하는 평면내의 질량 선택 애퍼처에서 확산을 발생시키도록 크기가 정해지고, 질량 선택 애퍼처는 동일 도펀트 종의 클러스터 이온의 빔을 선택하도록 크기가 정해진 질량-선택 폭이지만 증가적으로 다른 분자 무게로 설정될 수 있으며, 질량 선택 애퍼처는 또한 실질적으로 더 좁은 질량-선택 폭으로 설정될 수 있으며, 분석기 자석은 실질적으로 원자 또는 분자 무게의 단원자 도펀트 이온의 빔의 선택을 가능하게 하도록 충분한 질량 선택 애퍼처에서 분해능을 가지며, 자기 스캐너와 자기 시준기는 동일 의미에서 이온 빔을 연속적으로 구부리도록 구성되는데, 이는 빔 라인의 분석기 자석에 의해 도입된 굴곡의 것과는 반대되는 의미이다.
본 발명의 이런 양상의 구현은 다음 특징들 하나 이상을 가질 수 있다.
질량 선택 애퍼처는 단원자 이온 종을 위한 제1 설정과, 붕소 함유 화합물로부터 생성된 클러스터 이온을 수용하기 위해 상기 제1 설정의 질량-선택 폭의 적어도 15배인 제2 설정으로 설정될 수 있다. 단원자 도핑 이온을 위한 질량 선택 애퍼처에서의 상기 질량 분석기 자석의 분해능은 적어도 60이다. 질량 분석기 자석은 이온 소스 추출 애퍼처의 폭의 질량 분산 평면에서 켤레(conjugate) 이미지를 질량 선택 애퍼처에서 형성하기 위해 크기가 구성되고 배열된다. 질량 분석기 애퍼처의 질량 선택 애퍼처는 적어도 30 mm의 애퍼처 폭에서 설정될 수 있다. 분석기 자석은 적어도 12 mm의 폭과 90 mm의 높이의 슬롯형 이온 소스 추출 애퍼처로부터 추출된 빔을 분석하기 위해 구성된다. 질량 선택 애퍼처는 단원자 이온 종을 위한 제1 설정과, 해당 정점 근처의 다수의 질량들의 클러스터 이온을 수용하기 위해 제1 설정의 질량 선택 폭의 적어도 15배인 제2 설정으로 설정될 수 있고, 단원자 도핑 이온에 대해 질량 선택 애퍼처에서 상기 질량 분석기 자석의 분해능은 적어도 60이다. 슬롯형 추출 애퍼처 폭은 약 12.5 mm이고 높이는 약 100 mm이다. 이온 주입기 빔 라인은 형성된 전자 빔을 채용하는 이온화 모드에 의해 최대 약 1 mA/cm2 까지인 현재 밀도의 이온을 생성하기 위해 구성된 이온 소스와 결합되고, 이온 소스는 가스와 가열된 증기의 형태로 공급 재료를 교대로 수용하기 위해 구성된다. 이온 소스는 아크 방전을 채용하는 제2 이온화 모드에서 교대로 기능하기 위해 구성된다. 분석기 자석은 약 10 k 가우스를 초과하는 자기장을 포함하는 자극 간격에서 조정가능한 자기장을 생성하도록 구성되는 섹터 자석이다. 이온 주입기 빔 라인은 옥타데카보랜으로부터 발생된 약 80 keV 이온을 선택하기 위해 구성된다. 질량 분석기는 약 500 mm의 반경 R, 약 120도의 섹터 각 Ф, 자극 출구로부터 질량 분해 애퍼처까지 약 195 mm의 거리 b를 갖는 섹터 자석을 포함하고, 질량 분석기는 약 -0.83의 배율 M을 가지며, 분석기 자석은 약 12.5 mm의 추출 애퍼처 폭을 가진 소스로부터의 이온 빔을 분석하기 위해 구성되고, 분석기 자석은 약 88 정도의 질량 분해능 m/△m을 갖는다. 이온 주입기 빔 라인은 분석기 자석에 후속하는 빔 라인의 부분에서 다수의 요소 4중극 집속 렌즈를 포함하고, 렌즈는 빔 횡단면의 직교 방향으로 빔의 크기를 제어하기 위해 배열된다. 렌즈는 적어도 3개의 4중극 요소를 가지고, 빔 횡단면의 직교 방향으로 상기 빔의 크기와 각(angular) 발산을 동시에 제어하기 위해 구성된다. 렌즈는 4중극 삼중쌍 집속 렌즈이다. 상기 렌즈는 자기 4중극 삼중쌍 집속 렌즈이다. 이온 주입기 빔 라인은 분석기 자석의 굴곡 평면에 직각인 평면에서 빔 프로파일의 긴 크기를 가지고, 상기 삼중쌍의 제1 렌즈 요소가 긴 프로파일 크기에서 집속이 되게 유발하고, 상기 제2 렌즈 요소로 하여금 짧은 크기에서 집속되고, 긴 크기에서 디포커싱되게 하기 위해 상기 제1 요소의 극성과는 반대의 극성을 가지도록 유발하고, 상기 제3 렌즈 요소로 하여금 상기 가늘고 긴 프로파일의 양쪽 크기에서 동시적인 집속을 달성하기 위해 제각각 제어되는 상기 제1 요소와 동일한 극성과 제어되는 렌즈 요소의 자기장 강도를 갖도록 유발하기 위해 적응된 제어기와 결합되어, 상기 4중극 삼중쌍 집속 렌즈에 진입하는 가늘고 긴 횡단면 프로파일을 갖는 빔을 생성하기 위해 구성된다. 이온 주입기 빔 라인은 상기 분석기 자석에 후속되고, 상기 4중극 렌즈에 선행하는 감속 유닛을 포함하고, 상기 렌즈는 상기 감속 유닛에서 빔의 감속으로부터 초래되는 빔 발산을 제어하기 위해 제어된다. 이온 주입기 빔 라인의 빔 라인 특징과 파라미터는 실질적으로 다음과 같은 값들을 갖는다:
A. 분석기 자석: R=500 mm, Φ=120°; G=118 mm; s1=31 mm; s2=8.6 mm; h1=8.7 mm; h2=4.7 mm; W=166 mm; 굴곡력=80 keV 옥타데카보란.
B. 질량 선택 애퍼처: 최소 약 8 mm에서 최대 약 38 mm.
C. 4중극 삼중쌍 집속 렌즈: 애퍼처: 자극 정점들 간에 대각선으로 80; 0-5 k 가우스로 조정가능한 자극 정점 자기장.
D. 빔 스캐닝 자석; 수직 간격=80 mm; 굴곡력=80keV 옥타데카보랜
E. 시준기: 굴곡 반경 900 mm; 자극 간격=8 mm; 굴곡력=80 keV 옥타데카보랜이고 상기 스캐너와 시준기 조합체에 의해 도입되는 전체 편향은 약 30°이다.
본 발명의 다른 양상은 클러스터 이온의 주입을 가능하게 하기 위해 구성된 이온 주입기 빔 라인 구성체이고, 상기 빔 라인 구성체는 굴곡을 상기 빔 경로에 도입하는 자기 스캐너와 자기 시준기 조합체에 의해 후속되는 질량 분석기 자석을 포함하고, 질량 분석기 자석은 자석의 강자성 자극과 질량 선택 애퍼처 간의 자극 간격을 한정하고, 상기 자극 간격은 클러스터 이온을 생성하는 저밀도 이온 소스로부터 이온 빔을 수용하기 위해 크기가 정해지고, 상기 질량 선택 애퍼처는 동일한 도펀트 종이지만 증가적으로 다른 분자 무게의 클러스터 이온의 빔을 선택하기 위해 크기가 정해진 질량 선택 폭으로 설정될 수 있고, 이온 주입기 빔 라인은 다수의 4중극 집속 요소를 포함하는 분석기 자석에 후속하는 빔 라인의 부분에서 다중 요소 집속 시스템을 포함하고, 렌즈 시스템의 렌즈 요소의 개별 자기장 세기는 빔 횡단면의 수직 방향으로 빔의 크기를 제어하고, 목표물 기판에서 다른 경우 이온 빔에서 클러스터 이온의 다른 질량들의 범위의 결과로서 발생할 각도 편향을 동시에 그리고 실질적으로 제거하기 위해 조정되고, 자기 스캐너와 자기 시준기는 동일한 의미에서 이온 빔을 연속적으로 굴곡시키기 위해 구성되고, 이것은 빔 라인의 분석기 자석에 의해 도입되는 굴곡의 의미와는 반대 의미이다.
본 발명의 이런 양상의 구현은 다음의 특징들 중 하나 이상을 가질 수 있다.
렌즈 시스템은 적어도 3개의 4중극 요소를 가지며, 4중극 자기장에 의해 빔 횡단면의 수직 방향으로 빔의 크기와 각도 발산을 동시에 제어하기 위해 구성된다. 렌즈 시스템은 4중극 3중쌍 집속 렌즈이다. 렌즈는 자기 4중극 3중쌍 집속 렌즈이다. 이온 주입기 빔 라인은 4중극 3중쌍 집속 렌즈에 진입하는 가늘고 긴 횡단면 프로파일을 가지고, 분석기 자석의 굴곡의 평면에 직각인 평면에서 빔 프로파일의 긴 크기를 가진 빔을 생성하기 위해 구성되고, 3중쌍의 제1 렌즈 요소로 하여금 긴 프로파일 크기에서 집속을 야기하고, 짧은 크기에서 집속을 야기하고 긴 크기에서 디포커싱되게 야기하도록 제1 요소의 극성과는 반대되는 극성을 제2 렌즈 요소가 갖도록 야기하고, 가늘고 긴 프로파일의 양쪽 크기에서 동시적인 집속을 제각기 달성하도록 제어되는 렌즈 요소의 자기장 세기 및 제1 요소와 동일한 극성을 제3 요소가 갖도록 야기하기 위해 적응된 제어부와 결합된다. 이온 주입기 빔 라인은 분석기 자석에 후속하고 4중극 3중쌍 렌즈의 형태의 4중극 렌즈 시스템에 선행하는 감속 유닛을 포함하고, 4중극 렌즈 시스템은 감속 유닛에서 빔의 감속으로부터 야기되는 빔 발산을 제어하기 위해 제어된다.
본 발명의 다른 양상은 이온 소스와 사용하기 위한 이온 주입 빔 라인이고, 상기 빔 라인은 빔 경로에 굴곡을 도입하는 자기 스캐너와 자기 시준기 조합체에 의해 후속되는 질량 분석기 자석을 포함하고, 이온 주입기 빔 라인을 위한 분석기 자석은 약 500 mm의 중심 경로 반경, 약 120°의 섹터 각도와, 적어도 약 80 mm의 자극 간격을 가지고, 자석은 코일의 단일 쌍과 관련되고, 자석은 자극 간격에 진입하고 나가는 이온 빔 경로의 축에 수직인 입구 및 출구 자극 면을 가지고, 분석기 자석은 섹터 자석의 굴곡면에 수직인 평면에서 빔에 대한 실질적으로 아무런 집속 효과를 가지지 않고, 자기 스캐너와 자기 시준기는 동일 의미에서 이온 빔을 연속적으로 굴곡시키기 위해 구성되고, 이는 빔 라인의 분석기 자석에 의해 도입되는 굴곡과는 반대되는 의미이다.
본 발명의 이런 양상의 구현은 다음과 같은 특징들의 하나 이상을 가질 수 있다.
이온 주입 빔은 자석의 질량 분산 평면에 수직인 평면에서 빔 집속을 제공하는 자석에 선행하는 이온 집속 시스템과 결합된다. 집속 시스템은 이온 소스와 연관된 이온 추출 시스템의 렌즈 요소를 포함한다. 분석기 자석의 자극 간격은 통과하도록 구성되는 최대 크기의 이온 빔의 대응하는 크기보다 실질적으로 넓고, 자극의 면과 빔 경로 사이에 흑연(graphite) 또는 실리콘의 라이닝(lining)이 존재한다. 자극 간격을 한정하는 분석기 자석의 자극 부재는 자극 간격 크기에 대해 상대적으로 작은 자극 간격의 사용을 가능하게 하는 방식으로 자기장을 형성하기 위해 빔 경로의 중앙 평면을 향해 자극 표면을 제각기 낮추거나 끌어 올리는 트렌치와 쐐기(shim) 형상의 자극 면을 갖는다. 자극 간격을 한정하는 자극 부재는 비자성 물질의 진공 하우징의 벽에 내장되거나 밀봉되고, 이를 통해 이온 빔은 분석기 자석의 자기장을 받으면서 통과하고, 자극 부재들간의 자석의 강자성 구조는 진공 하우징의 바깥쪽에 위치된다. 분석기 자석은 약 10 k 가우스를 초과하는 자기장을 포함하는 자극 간격에서 조정가능한 자기장을 생성하기 위해 구성되는 섹터 자석이다. 분석기 자석은 적어도 12 mm 폭과 90 mm 높이의 슬롯형 이온 소스 추출 애퍼처로부터 추출되는 빔을 분석하기 위해 구성된다.
전술된 양상과 특징의 하나 이상의 실시예의 세부 사항은 첨부된 도면들과 다음에 나오는 설명에서 제시된다. 본 발명의 다른 특징들, 목적들과 이익들은 상세한 설명과 도면들과 청구항들로부터 명백하게 될 것이다.
도 1은 섹터 질량 분석 자석을 채용하는 이온 주입기의 개략적인 도면.
도 2는 단면 선 A-A와 B-B를 따라 도 1의 자기 분석기를 통한 횡단면도.
도 3은 도 1에 도시된 감속기의 확장도.
도 4는 분석기 자석의 고전압 절연 코일의 횡단면도.
도 5는 도 4에 도시된 코일 횡단면의 일부분의 확장도.
도 6은 다른 질량의 이온 경로를 보여주는 개략적인 도면.
도 7은 굴곡 각도를 가진 분산의 변이(D/R)를 도시한 도면.
도 8a와 도 8b는 분석기 자극 형태의 횡단면도이고, 도 8c는 자극의 장치의 확장된 세부 사항을 도시한 도면.
도 9는 옥타데커보랜의 고 분해능 질량 스펙트럼을 도시한 도면.
도 10a 내지 도 10d는 조정가능한 질량 분해 애퍼처 장치를 도시한 도면.
도 11은 이온 소스의 영역에서 수평면에서 빔 엔벨로프를 도시한 도면.
도 12a와 도 12b는 세로와 가로 단면에서 제각각 자기 4중극 3중쌍을 도시한 도면.
도 13은 자기 스캐닝 빔 라인의 중앙 평면 횡단면의 투시도.
도 14는 도 과 도 13의 실시예에서 유용한 이온 소스의, 추출된 이온 빔의 평면에서 개략적인 수직 단면을 도시한 도면.
도 14a는 도 1과 13의 실시예에서 유용한 이온 소스의 다른 유용한 전극 형상의 개략적인 예시를 도시한 도면.
도 15a와 15b는 빔 라인의 분산 및 비분산 면에서 제각각 도 14의 이온 소스와 연관된 이온 추출 시스템을 도시한 도면.
도 16a와 16b는 빔 라인의 분산 및 비분산 평면에서 제각각 도 12a와 12b의 4중극 3중쌍을 통해 이온 빔 엔벨로프를 도시한 도면.
도 17은 도 13에 대응하는 시스템의 동작 동안 측정된 주입 에너지에 대한 입자 붕소 빔 전류의 플로팅도.
도 17a는 SF6와 감속을 이용해서 주입 에너지에 대해 입자 붕소 빔 전류의 플로팅도.
도 18은 이중 모드 이온 소스의 도 14의 것과 유사한 도면.
도 19는 중간 전류 주입기에 대한 빔 라인의 개략도.
동일한 부분이 동일한 참조 번호에 의해 참조되고, 기능적으로 유사한 부분이 동일하게 참조 강조된 번호에 의해 참조되는 도면들을 이제 참조하면, 도 1은 주기율표에서 C, Si, Ge와 Sn의 제4 원소족의 양쪽에 있는 B, P, As, Sb 원소와 같은 전기적 도펀트종(species)의 다중 원자를 포함하는 분자 이온을 효율적으로 주입하기 위해 유용하고, 예를 들면, 비정질화, 도펀트 확산 제어, 스트레스 공학, 또는 결함 제거를 달성하기 위해 반도체 기판을 수정하기 위해 유용한 C, Si, 또는 Ge과 같은 원소의 다수의 원자를 포함하는 분자 이온을 또한 효율적으로 주입하기 위해 또한 유용한 이온 주입기 빔 라인의 일 실시예를 개략적으로 도시한다. 이러한 분자 이온은 60 nm 이하의 임계 크기를 가진 집적 회로를 제조하기 위해 유용할 수 있다. 이후로는, 이러한 이온은 "클러스터" 이온이라고 집합적으로 칭할 것이다.
단일 하전된 클러스트 이온의 화학적 조성은
MmDnRxHy + (1)
*과 같은 일반 형태를 가지는데, 여기서 M은 기판의 재질적 변형을 위해 유용한 C, Si, 또는 Ge같은 원자이고; D는 전하 캐리어를 기판에 주입하기 위한 B, P, As, Sb, 또는 In(주기율 표의 제3 또는 제4족)이거; R은 기(radical), 리간드(ligand), 분자이고, H는 수소 원자이다. 일반적으로, R 또는 H는 안정된 이온을 생성 또는 형성하기 위해 필요한 완전한 화학적 구조의 단지 일부로서 존재하고, 주입 과정을 위해 특별히 요구되지 않는다. 일반적으로, H는 주입 과정에 상당히 유해하다. R도 또한 마찬가지이다. 예를 들면, R이 Fe와 같은 금속 원자나 Br과 같은 원자를 포함하는 것이 바람직하지 않은 것이다. 위의 화학식에서, m, n , x와 y는 모두 0보다 크거나 같은 정수이고, m과 n의 합은 2보다 크거나 같다(즉, m+n≥2). 이온 주입에서 특별한 관심이 되는 것은 낮은 에너지, 높은 조사량 주입에 대해 향상된 효율성 때문에 높은 M 및/또는 D 원자 복수성(multiplicity)(즉, m+n≥4)을 가진 클러스터 이온이다.
재질 변형에 대해 사용될 수 있는 클러스터 이온의 예는 C7Hy+, C14Hy +, C16Hy +, 및 C18Hy +와 같은 인접하는 벤젠 고리로부터 유도되는 것이다. 도핑을 위해 사용될 수 있는 클러스터 이온의 예는:
ㆍ 수소화붕소 이온: B18Hy +, B10Hy +.
ㆍ 카보래인 이온: C2B10Hy +와 C4B18Hy +.
ㆍ 인 수소화물 이온: P7Hy +, P5(SiH3)5 +, P7(SiCH3)3 +.
ㆍ 비소 수소화물 이온: As5(SiH3)5 +, As7(SiCH3)3 +.
당업자는 상기 예시에서 나열된 것과는 다른 클러스터 이온을 사용하는 가능성을 인식할 것인데, 이것은 재질 변형을 위해 Si와 Ge를 포함하는 이온과, 도펀트 원자의 다른 분량과 다른 동위 원소를 가진 이온과, 다른 이성체(isomeric) 구조를 가진 이온을 포함한다. 이중으로 하전된 클러스터 이온은 또한 일반적으로 훨씬 작은 수율(yield)을 가지고 형성되는데, 이 경우에 이것들은 고 조사량, 저 에너지 주입을 위해 유용하지 않다.
본 발명의 목적은 또한 공통적으로 사용되는 단일 원자 도펀트 이온을 위해 적합한 주입기 빔 라인 구성체에 대한 것이고, 보다 구체적으로 상기 언급된 이온의 모든 3개의 분류를 주입하기 위해 유용한 다목적 주입기 빔 라인 구성체에 대한 것이다.
이온은 가속 전압(Ve)(13)에 의해 애퍼처(12)를 통해 이온 소스 몸체(11)안에 이온 소스 체임버(10)로부터 추출되고, 상기 전압은 일반적으로 1 kV 내지 80 kV의 범위 안에 있으며, 추출 전극(14)과 이온 소스 체임버(10)간에 인가된다. 역-스트리밍 전자는 추출 전극(14)에 절연된 피드-쓰루(8)를 통해 이온 소스 진공 하우징(15)과 억제기 전극(7)에 대해 음인 2-10kV의 전압(Vs)(9)을 인가함으로써 억제된다. 억제기 전극(7)은 이온 소스 진공 하우징(15)과 동일한 전위를 가진다. 이온 소스 몸체(11)는 환상 절연기(16)에 의해 이온 소스 진공 하우징(15)으로부터 절연된다. 하나의 유용한 상업용 실시예에서, 애퍼처(12)는 ws=12.5mm의 폭과 hs=100mm 높이의 슬롯 형태이다. 이러한 애퍼처 폭은 B+, P+, As+, BF2 + 등과 같은 종래의 이온을 생성하기 위해 공통적으로 이용되는 이온 소스에서 일반적으로 사용되는 약 3-5 mm 사이의 범위보다 크다. 125 mm2의 전체 면적을 제공하는 큰 이온 소스 애퍼처 폭과 높이의 목적은 이것으로부터 클러스터 이온을 추출하기 위해 큰 영역을 제공하는 것이다. 이것은 클러스터 이온을 생성하기 위해 유용한 한 유형의 소스에 대해서(도 14-16b와 그 관련된 설명을 보라) 이온 밀도가 챔버(10) 내에서 낮기 때문인데, 그 이유는 이온 소스는 클러스터 이온이 생성되는 증기를 이온화하기 위해 고 밀도 플라즈마보다 형성된 전자 빔을 사용하기 때문이다. 예를 들면, 이러한 유형의 이온 소스는 소스에서 보로하이드라이드 증기를 상당히 분해하지 않고 보로하이드라이드 이온을 생성항 수 있으며, 애퍼처(12)가 큰 크기이므로, 매우 높은 조사량 이중 폴리게이트와 중간 조사량이지만 매우 낮은 에너지 붕소 소스 드레인 연장 주입을 위한 현재의 중요한 상업용 웨이퍼 처리량 요구를 충족하는 높은 보로하이드라이드 이온 전류를 생성한다.
일반적으로 약 10-6-10-4 토르 사이인 진공은 진공 펌프(17)에 의해 이온 소스 진공(15) 하우징에서 유지된다. 도 11을 참조하면, 추출 전극(14)와 이온 소스 몸체(11)와 애퍼처(12) 사이에 생성된 전기장은 이온 소스 애퍼처 높이 hs의 것과 유사한 높이 크기와, 이온 소스 애퍼처(12)의 폭 Ws(5)의 절반과 근사적으로 동일한 최소 폭 wb(56)(즉, wb≒ws)을 가진 이온(19)의 근사적으로 모노-에너지 리본 형태의 빔을 형성한다. 이 폭 wb는 이온 소스 애퍼처(12)와 추출 전극(14)의 영역(59)에 위치된다. 이온 소스 애퍼처와 추출 전극간의 간격 d(57)는 주어진 이온 종, 이온 에너지, 이온 질량과 이온 빔 전류에 대해 추출 및 빔 형성을 최적화하기 위해 일반적으로 조정된다.
이온 소스(11)로부터 추출 후에, 빔(19)은 진공 하우징(20)으로 통과하고, 그리고 나서 이중 자극 자석(21)의 자기장 간격(G)에 진입하는데(도 1, 2), 여기서 빔 엔벨로프는 타원형이 된다. 자석(21)은 전류 운반 코일(40)과 다음의 강자성 구성 부분을 포함한다: 자극(26), 코어(28), 요크 치크(yoke cheek)(30), 요크 리턴(32와 34). 특히 도 2를 참조하면, 코일 조립체(40)를 통해 통과하는 DC 전류는 자극들(26)간의 간격에서 일반적으로 수직 방향으로 정적 자기장(24)을 생성하고, 여기서 "수직"은 소스 애퍼처(12)의 긴 방향의 방향으로 정의되고, 도 1과 도 2에서 됫된 실시예에 대해서, 이 방향은 자석(21)의 일반적으로 "수평" 굴곡 (분산) 평면에 수직이다.
이온 소스(11)로부터의 가스 방출은 이온 소스 하우징 상에 위치된 진공 펌프(17)에 의해 제거된다. 진공 펌프는 이온 소스 하우징(15)에서 10-6-3x10-5 토르 사이의 진공압을 유지하기 위해 충분한 용량(예, 1000-2000 리터/초)을 가진다. 이온 소스(10, 11)의 쉬운 유지보수를 위해, 이온 소스 하우징(15)은 진공 밸브(23)를 가진 자기 진공 하우징(20)으로부터 절연가능하다. 자기 하우징(20)은 자석 몸체와의 자기 상호작용을 막기 위해 비-강자성 재질(예, 알루미늄)이다. 이것은 진공 펌프(29)에 의해 비어진다.
이온의 전기 전하상에 작용하는 자기장(24)에 의해 생성된 방사력은 자석(21)의 수평 굴곡 평면에서 이온으로 하여금 실질적으로 원형의 경로(42, 43, 및 44)를 나타나게 한다. 이온 소스 체임버(10)로부터 추출된 이온 모두는 근사적으로 동일한 에너지를 가지고, 자석(21)은 자극 간격에서 중앙 경로(46)를 따라 이동하는 이온(42)보다 제각기 더 높고 낮은 질량을 소유하는 이온(43과 44)의 궤적을 공간적으로 분리시킨다. 자석을 적절하게 크게 구성하여, 자기장(24)은 1 k 가우스에서 약 12 k 가우스의 범위에서 설정될 수 있고, 자기장은 중앙 경로(46)에 후속하여 이온(42)에 대응하는 주어진 질량을 선택하기 위해 다양한 범위의 질량들상에서 조정될 수 있다. 일 실시예에서, 중앙 경로(46)는 근사적으로 500 mm의 반경을 가지고, 이 경우에 근사적으로 12 k가우스의 자기장에서 자기 분석기는 4 keV 붕소 주입 에너지에 대응하는 옥타데커보랜(B18H22)으로부터 생성된 80 keV 이온을 선택할 수 있고, 이것은 일반적으로 현재의 이중 폴리게이트 도핑을 위해 필요한 가장 높은 에너지이다. 마찬가지로, 7 KeV 붕소 주입 에너지에 대응하는 데카보랜(B10H14) 증기로부터 생성된 80 KeV 이온을 선택할 수 있다.
도 1과 11을 참조하면, 추출 전극(14)로부터 나오는 이온(42)의 경로는 이온 소스 체임버(10)에서 원래 지점에서 이온의 열 움직임과 동일 전하의 이온들 간에 작용하는 쿨롱 력과 같은 인자에 기인할 수 있는 중앙 기준 경로(46)에 대해 약 -50 밀리라디언에서 +50 밀리라디언 사이로부터 수평면에서 각도의 범위를 일반적으로 가진다. 일 실시예에서, 자극(26)의 형상은 질량 선택을 가능하게 하기 위해 자석의 출구에서 슬릿형 질량 분해 애퍼처(50)를 향하는 수평면에서 재수렴하기 위해 선택된 질량의 이온 경로를 유발하는 간격에서 자기장(24)을 생성한다. 자기 분석기(21)의 현재 실시예의 중요한 양상은 이 질량 선택 애퍼처(50)가 가로, 수평 이온 움직임에 대해 이온 근처에서 애퍼처 폭(12)의 광학적으로 켤레 이미지인 빔 경로를 따라 있는 지점에 위치된다는 것이다. 켤레 이미지의 광학 변형 M은 약 -0.8 내지 -1.2 사이에 일반적으로 있고, 음의 부호는 실제로 역전된 이미지의 형성을 의미한다. 만약 질량 분해 슬릿(50)의 폭이 이온 빔 허리 폭 wb≒0.5ws와 배율 M의 곱과 동일한 값 wr로 설정된다면, 즉,
wr≒0.5|M|ws (1)
약 -50 밀리라디언에서 +50 밀리라디언 사이의 수평각 내에서 이온 소스(11)로부터 나오는 선택된 질량 m의 이온(42)의 대부분은{진공 하우징(20)에서 잔여 가스와의 충돌을 통해 편향되거나 중화된 이온의 작은 퍼센트와는 별도로} 분해 슬릿(50)을 통해 집속된다.
도 6을 참조하면, 자기 분석기 시스템(21)의 특성은 이것이 빔을 분산시키는 것인데, 여기서 질량 분해 애퍼처(50)에서 질량 m±△m 이온(102, 103)은 중앙 빔 경로(46)를 따라 이동하는 선택된 질량 m(104)의 이온으로부터 △x(101)만큼 분리된다. 원하지 않는 이온 질량들은 미도시된 차단판 또는 애퍼처(50)를 형성하기 위해 사용된 재질의 몸체(51)에 의해 중지될 수 있다. 종래의 단원자 도펀트 이온의 경우에 대해서, m/△m≥60의 질량 분해능이 일반적으로 요구되는데, 이는 만약 질량 60 amu의 이온이 분해 애퍼처(50)의 중앙을 통과하면, m≥61 amu 또는 질량≤59 amu의 이온이 거절되는 것을 의미한다. 이중극 자석의 집속 및 분산 효과의 원리는 Enge, Focusing of Charged Particles, Chapter 4.2 Deflecting Magnets, Ed. A. Septier, pp 203-264에 의해 상세히 설명된다.
도 3과 도 6을 참조하면, 빔 중앙 경로(46)가 실질적으로 출구 자극 에지(49)에 수직이고, 중앙 경로(46) 주위의 빔(22)의 영역 상에서 자극(26)간의 자기장은 실질적으로 균일하고, 수직인 경우에 대해서, 질량 변이 △m/m에 대한 분리 △x는 실질적으로
△x=D(△m/2m) (2)이고
여기서 D는 자석 분산이고
D≒R(1-cosΦ)+bsinΦ (3)에 의해 주어진다.
위 수학식에서, R은 중앙 경로(46)의 반경(53)이고, Φ는 중앙 경로(46)를 따라서 자석을 통과하는 이온 굴곡의 각도(54)이고, b(55)는 출구 자극의 효과 자기장 경계로부터 질량 분해 애퍼처(50)까지의 거리이다. wr의 분해능 애퍼처 폭을 가진 m/△m의 질량 분해능을 달성하기 위해, 이것은 수학식 (1-3)으로부터 다음을 따른다:
m/△m=D/2wr≒D/|M|ws≒{R(1-cosΦ)+bsinΦ}/|M|ws (4)
이전에 언급된 것처럼, 큰 소스 애퍼처 폭 ws는 높은 하이드로드라이드 이온 전류를 추출하고, 이중 폴리게이트와 소스 드레인 연장 붕소 주입을 위한 현재의 웨이퍼 처리량 요구를 충족하기 위해 필요하다. 이러한 자기 분석기 실시예의 중요한 양상은, 큰 소스 애퍼처 폭 ws의 경우에서 조차 또한 종래의 이온들을 사용하기 위해 충분히 높은 질량 분해능을 다목적 시스템에 제공하는 것이다. 수학식 3을 참조하면, 이것은 충분히 큰 반경 R과 굴곡 각 Φ을 사용함으로써 달성될 수 있다. 하나의 유용한 상업용 실시예에서, R=500 mm, Φ=120도, b=195mm이고 M=-0.83이고 이 경우에 ws=12.5 mm의 소스 애퍼처 폭에 대해서, 질량 분해능은 m/△m≒88이고, 그러므로 종래의 이온을 위해 충분하다. 큰 굴곡각 Φ를 채용하는 것의 중요성은 도 7에서 도시되는데, D/R은 b=195 mm의 켤레 이미지 위치에 대해 Φ에 대해 플로팅된다. 굴곡각을 60도에서 120도로 두배로 늘리는 것은 분산 D를 두배로 하고 따라서 질량 분해능 m/△m을 두 배로 한다.
도 8a와 도 8b를 참조하면, 빔이 통과하는 자극(26)간의 간격은 자석을 통해 빔의 명백한 통과를 제공하고, 예를 들면, 흑연(116) 또는 실리콘을 사용해 자극 표면이 라이닝되게 하고, 빔 타격에 의해 강자성체 자극 재질로부터 스퍼터링되는 것으로부터 바람직하지 않은 중 금속 불순물을 제거하기 위해, 소스 애퍼처의 높이 hs보다 높은 약 10 내지 20 mm 사이에 있는 간격 높이 G(106)를 가진다. 주어진 최대 자기장 능력에 대해서, 자석의 질량은 간격에서 작동하는 자기 부피 V에 비례하고, 이는 차례로 자극을 통과하는 경로 길이 ΦR, 간격 크기 G 및 자극 폭 W의 곱이다:
V≒ΦRGW (4)
*수학식 3으로부터 우리는 넓은 소스 슬릿 ws에 대해서 질량 분해능 m/△m≥60을 실현하기 위해 높은 분산의 요구는 Φ와 R의 큰 값을 요구한다. 둘째로, 높은 보로하이드라이드 이온을 실현하기 위해, 간격 G는 또한 큰 높이의 소스 애퍼처로부터 이온을 수용하기 위해 커야 한다. 집합적으로, 이러한 요구는 적절히 높은 작업 자기 부피와 따라서 높은 자석 질량을 가진 수학식 4에 따라 실현될 수 있다. 마지막으로 4 keV 붕소 주입을 수행할 수 있기 위해, 이중 폴리게이트에 대해서, 80 keV 옥타데카보랜을 사용해서, 요크와 코일 질량은 R=500 mm의 굴곡 반경의 경우에조차 12k가우스이어야 하는 간격에서의 대응하게 높은 자기장을 지원하기 위해 충분히 높아야 한다. 수학식 4에 따라, 작업 자기 부피 V를 최소화하기 위해 이용가능한 단 하나의 자원은 자극 폭 W(108)을 최소화하는 것이다. 불행히도, 폭은 간격 크기 G(106)에 대해 임의로 감소될 수 없으며, 그렇치 않으면 제2 및 더 높은 차수의 관계에 대한 빔(22)의 횡단면 크기가 간격 자기장에서 전개되고, 질량 분해 애퍼처(50)에서 빔을 확장하는 것으로부터 수차를 생성하는데, 이는 사실상 질량 분해력을 감소시킬 것이다. 하나의 유용한 상업적 실시예에서, 도 8a와 8b에서 도시된 것처럼, 자극(26)의 외부 에지가 중앙 면(117)을 향해 자극(26)의 표면을 제각각 낮추거나 올리게 하는 트렌치(112)와 쐐기(111) 형태가 된다. 2개의 쐐기, 각 측면에 하나씩은 중앙 영역에 대해 폭 s1(107)과 높이 h2(115)를 가진다. 제각기의 쐐기의 즉각적으로 안쪽으로 위치된 두 개의 트렌치는 쐐기의 꼭대기에 대해 폭 S2(109)와 깊이 h1(114)를 가진다. 이 기술은 상당히 더 작은 자극 폭 W(108)이 빔(22)의 자극 크기 G(106)와 횡단면 크기에 대해 사용되지만, 제2, 제3 및 제4 차수의 수차가 분해능 애퍼처(50)에서 빔을 확장하는 것을 막기 위해 작업 간격에서 자기장 형상의 적절한 제어를 한다는 것이 발견된다.
제3 차수 수차를 더 제어하기 위해, 다른 실시예가 도 8a의 자극의 좌측과 우측면에 대한 약간 다른 트렌치 및 쐐기 파라미터를 사용할 수 있다.
118 mm의 명목상 균일한 간격 G과, 166 mm의 자극 폭을 가진 묘사된 예시는 자극면을 덮는 흑연 또는 실리콘의 라이너(116)를 위한 공간을 제공하면서 이온 소스 애퍼처로부터 나오는 빔을 수용하기에 충분하다.
예시에서, 간단하고 견고한 설계를 달성하기 위해, 자석의 입구 및 출구 자극 에지는 빔 축에 직각이고, 자석의 작업 간격에서 어떤 상당한 제1 차수 자기장 그레이디언트도 존재하지 않는다(즉, 자석은 비분산, 수직 평면에서 임의의 집속을 생성하지 않으며, 이것은 아래에서 논의된 다른 제공에 의해 취급된다). 결과적으로 분산 평면에서, 소스 대상물을 위한 켤레 이미지 지점과 질량 분해 애퍼처(50)는 단순히 바버(Barber)의 규칙에 의해 결정된다(Enge, Focusing of Charged Particles, Chapter 4.2 Dflecting Magnets, Ed. A. Septier, pp 203-264를 보라). 특정 예시에서, 대상물 소스 지점은 효과적인 입구 자기장 경계 이전에 400 mm에서 설정되고, 질량 분해 애퍼처는 자석의 유효 출구 자기장 경계로부터 b=195 mm에 있다. 400 mm의 대상물 거리는 인라인 진공 분리 밸브(23)를 위해서, 그리고 폭넓은 에너지 범위 추출 광학 시스템(14, 7)에 대해서 고속 진공 펌핑을 할 수 있는 펌프(17)를 위한 공간을 제공한다.
이런 설계가 본 발명의 가장 넓은 양상에 대해 광범위하게 훌륭한 성능을 제공하지만, 자기 분석기 시스템은 상기 언급된 설명에 제한되지 말아야 한다. 당업자는 원하는 다목적 능력을 제공하기 위해 분석기 광학기의 다양한 구현을 인식할 수 있으며, 이 능력은 집속, 수차 및 분산을 제어하기 위해 제1 및 제2 차수 그레이디언트를 가진 비균일인 자극간의 자기장의 사용; 자극 간의 굴곡 각도, 반경, 간격과, 자기장 범위의 선택; 자석 입구에 대한 이온 소스의 위치; 자석 출구에 대한 질량 분해 애퍼처의 위치와 크기, 그리고 켤레 이미지 지점에 대한 정확한 위치; 질량 분해 애퍼처에서 확장하는 제2 및 더높은 차수 이미지를 최소화하기 위해 특별한 형태의 쐐기와 트렌치의 선택을 포함한다.
클러스터 이온의 종종 만나게 되는 특징과, 도핑 종의 많은 원자를 포함하는 수소화붕소가 사용될 때 발생하는 특징은, 이온이 다른 개수의 수소 원자와 따라서 다른 질량들을 가지고 생성된다는 것이다. 도 9를 참조하면, 도 14와 도 15a에 대해 아래에서 보다 완전히 설명되듯이 형성된 전자 빔을 채용하는 유형의 이온 소스에서 옥타데카보랜 B18H22를 이온화함으로써 생성되는 이온의 고 분해능 질량 스펙트럼은 수소 원자의 다른 분량과 이온에서 18개의 붕소 원자를 구성하는 2개의 동위 붕소 질량의 다른 혼합물을 포함하는 단일 하전된 이온의 형성에 대응해서, 이온 질량들의 범위가 발생하는 것을 보여 준다. 고 이온 전류를 달성하는 견지에서, 생성된 이온의 전체 개수는 광범위한 질량 정점 상에서 퍼지고, 그러므로, m/△m≒16에 대응하는 약 205 amu에서 약 220 amu까지의 질량으로부터 모든 이온을 허용하는 것은 이롭다. 분해 애퍼처(50)을 통해 질량의 이러한 전체 범위를 전달하기 위해, 질량 분해 애퍼처의 폭 wr은 반도체 웨이퍼에서(예, 약 8 내지 38mm 사이의 애퍼처 범위) 종래의 이온을 주입하는 경우에서 보다 약 4 내지 6배 더 넓을 필요가 있다. 유사한 고려는 데카보랜 B10H14로부터 생성된 이온에 적용되는데, 여기서 약 113 amu 내지 약 123 amu 사이의 범위에서 질량을 가진 이온을 수락하는 것이 유용하다. 수소화붕소 질량은 원하지 않는 불순물 이온의 질량들보다 값에서 훨씬 더 높기 때문에, 대응되게 더 낮은 질량 분해능을 가진 이러한 넓은 분해 애퍼처는 허용된다. 종래의 이온을 위해 작은 폭으로부터 수소화붕소의 다수의 피크를 수용하기 위해 큰 폭까지 연속적으로 또는 단계적으로 조정가능한 질량 분해 애퍼처 폭은 다목적 질량 분석기 시스템의 실시예의 중요한 양상이다. 동일한 고려는 일반적으로 다른 클러스터 이온에 적용되고, 특별히 다른 유용한 클러스터 이온의 상기 언급된 예시에 적용된다.
도 10a, 10b, 10c, 및 10d를 참조하면, 연속적으로 조정가능한 질량 분해 애퍼처의 하나의 유용한 상업적 실시예는 스테인레스 강철 또는 다른 적절한 비철 재질의 2개의 기어를 가지고, 역회전하는, 편심의 수냉 실린더(140)를 포함한다. 흑연의 실린더형 슬리브(142)는 입사된 이온 빔(144)에 의해 실린더(140)로부터 스퍼터링되는 것으로부터 원하지 않는 중금속 불순물을 제거하기 위해 이런 실린더의 밖에서 고정된다. {실리콘의 슬리브(142)는 유사하게 채용될 수 있다.} 실린더(140)와 그 각각의 흑연 슬리브(142)는 편심 중앙(143과 145)상에서 역회전하고, 도 10a에서 최소 폭(150)에서와 180도 회전 후에 도 10b에서 최대 폭(151)에서 도시된 축 정렬된 조정가능한 질량 분해 애퍼처 폭을 생성한다. 일 실시예에서, 최소 애퍼처 폭(150)은 약 8mm이고, 최대 애퍼처 폭은 38 mm이다. 다른 값과 범위는 실린더(140)와 슬리브 크기(142)와 회전 중심(143, 145)의 위치의 적절한 조정에 의해 가능하다. 냉각수 또는 다른 적절한 액체는 구멍(146)과 실린더(140)를 통해 통과될 수 있다. 냉각은 일반적으로 빔 차단에 의해 생성된 열을 제거하기 위해 요구되는데, 특히 이온 빔(144)이 고 전류, 고 에너지의 종래의 이온을 포함하는 경우에 요구된다. 전기 구동 모터(148)는 기어(152)와 베어링 블록과 회전 진공 밀봉(154)을 통해 실린더(140)를 회전시킨다. 전체 조립체는 분석기 자석 진공 하우징(20) 안에 맞추어지고 밀봉될 수 있는 플랜지(156)상에 장착된다. 출구 애퍼처(161)를 가진 흑연 판(159)은 또한 아래에서 설명될 감속 시스템의 제1 전극으로서 역할을 한다.
조정가능한 질량 분해 애퍼처(질량-선택 슬릿)는 상기 언급된 설명에 제한되지 말아야 한다. 당업자는 냉각을 위한 다른 기하학적 배치, 기어링, 모터 구동 및 장착, 회전 각도 및 진공 밀봉; 실린더가 아니고 회전 날개(vane)의 사용; 및 회전 움직임이 아니고 직선 움직임의 사용을 포함하는 다양한 구현을 인식할 수 있다.
도 2와 도 8a에 도시된 실시예의 중요한 양상은, 자극(26)이 진공 하우징(20)을 관통하고 밀봉하는데, 이 배치는 사실상 자기 효율을 최대화하는데, 그 이유는 자극들(26)간의 공간은 진공 하우징의 구성을 위해 일반적으로 사용되는 비강자성 재질의 존재에 의해 감소되지 않기 때문이라는 것이다. 자기 효율은 자극(26)과 코어(28)의 인접면간에 아무런 공기 간격이 존재하지 않기 대문에 더 향상된다. 진공 하우징(20)과 자극(26)은 코어(28)의 표면간에 끼워지지만, 자석의 다른 부분을 분해시키지 않고서 쉽게 이탈시킬 수 있는데 이는 사실상 유지보수 비용의 최소화시킨다.
자극의 밀봉 배치는 도 8c에 도시된다. 자극은 자극(26)의 각 에지를 따라 연장되는 측부 돌출 리브(26A)가 제공된다. 각 리브는 자극에 대한 입구에서 하우징 벽에서 형성된 레지(ledge)(20A)와, 미도시된 나사 고정기에 의해 하우징에 고정되는 위에 놓이는 리테이너 슬립(27) 사이에 놓인다. 압축가능한 진공 밀봉 요소는 리브(26A)의 외부 에지 표면과, 하우징(20)과 리테이너 스트립(27)의 표면사이에 형성된 채널 내에 놓이고 압축된다.
도 1과 2를 참조하면, 이중극 자석의 코일 조립체(40)의 쌍은 자극들간의 작업 간격 외부의 산란 자기 플럭스를 최소화하고, 이에 따라 요크 조각들(30, 32, 34)의 무게와 비용을 최소화시키기 위해 자극들(26) 및 코어(28)간의 일반적 평면도 형태를 근접하게 둘러싸고 뒤따르기 위해 윤곽이 형성된다. 도 4에 도시된 하나의 유용한 상업용 실시예에서, 코일 조립체(40)는 전기적으로 직렬로 연결된 4개의 분리된 권선 요소(80A, 80B, 80C와 80D)를 포함할 수 있다. 권선 요소(80A-D)는 예를 들면, 크기가 1.626 mm x 38.1 mm인 각각의 구리 스트립의 60회 감음으로 제조될 수 있으며, 0.08 mm 두께의 상호-감김의 전기적 절연으로 계속해서 감긴다. 마일라(mylar) 또는 캅톤과 같은 절연이 적합하다. 코일 전류는 최대 240A일 수 있으며, 코일 단자 양단에 걸리는 전체 전압은 최대 120V dc일수 있으며, 이는 28.8 kVA의 전체 코일 전력에 대응한다. 이것은 자극(26)간의 120 mm의 간격 크기에 대해 10 킬로 가우스 보다 더 큰 자극(26)간의 작업 간격에서의 자기장(24)을 발생시키기 위해 충분하다.
일 실시예에서, 3개의 냉각판(82B, 82C, 82D)이 인접되게 위치된 권선 요소(80A-D)의 각 쌍 사이에 배치된다. 외부 냉각판(82A와 82E)은 권선 요소(80A, 80D)의 외부 표면 상에 위치된다. 냉각 판(82A-E)은 임의의 적절한 두께, 예를 들면, 10 mm의 두께를 가질 수 있다. 냉각판(82A-E)은 권선 요소(80A-D)를 통과하는 전류로부터 생성된 옴(ohm) 열을 제거 또는 방산하기 위한 수단을 제공한다. 물과 같은 냉각 액체가 예를 들면 냉각 판(82A-E)에 삽입된 구리 튜브와 같은 냉각 튜브(84)를 통해 냉각판(82A-E)을 통과하여 순환될 수 있다. 설명된 구조적 실시예의 중요한 양상은 권선 요소(80A-D)로부터 냉각 튜브(84)의 전기적 절연이다. 수냉의 경우에, 권선 요소(80A-D)로부터 냉각 튜브(84)의 전기 절연은 탈이온화된 냉각수를 사용하기 위한 필요와 전해질을 상당히 제거시키는데, 이는 효과상 작동 비용과 유지 보수를 최소화시킨다.
도 5를 참조하면, 일 실시예에서, 인터리빙된 유리섬유 천(81)은 냉각 판(82A-E)로부터 권선 요소(80A-D)를 전기적으로 절연하기 위한 하나의 수단으로서 사용될 수 있다. 전체 코일 조립체(40)는 또한 단일의 견고한 투과되지 않는 코일 조립체(40)를 달성하기 위해 유리 섬유 테이프로 감겨지고 에폭시 수지로 주입된 진공으로 덥혀 질 수 있다. 코일 조립체(40)는 작동 중에 열팽창 및 수축으로부터 발생된 스트레스에 대한 높은 무결성을 소유해야 한다. 권선 요소(80A-D)의 에지와 냉각판(82A-E)의 인접면간의 수지 주입된 유리섬유는 일 실시에에서 29kW일 수 있는 열의 효과적인 전달을 위해 충분히 높은 열 전도성을 제공한다.
코일 조립체(40)의 실시예는 상기 언급된 설명에 제한되지 말아야 한다. 당업자는 임의의 작업가능한 개수의 권선 요소(80A-D)와 냉각판(82A-E)(예를 들면, 각각 두 개와 세 개); 알루미늄과 같은 권선 요소(80A-D)를 위해 사용된 다른 적합한 재질을 포함하는 다양한 구현을 인식할 수 있다. 추가적으로, 권선 요소(80A-E)는 스트립이 아닌 직사각형, 정사각형, 또는 원형의 고체 구리 또는 알루미늄의 전선을 사용하여 제조될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 직사각형, 정사각형, 또는 원형의 구리 또는 알루미늄 튜브는 냉각 판(82A-E)로의 열 전도에 의한 간접 냉각을 사용하는 것이 아니고, 전도체 튜브의 구멍을 통해 탈이온화된 냉각 액체를 통과시켜서 직접적으로 냉각될 수 있는 권선 요소(80)에 사용될 수 있다.
상호-감기 절연은 다른 방법과 재질, 예를 들면, 도체를 절연 테이프로 감싸기, 도체 위에 절연 슬리브를 슬라이딩하기, 또는 예를 들면, 에나멜링된 구리 또는 양극 산화된 알루미늄과 같은 절연막으로 전도체를 코팅하는 것에 의해 구현될 수 있다.
일 실시예에서, 이온 빔은 질량 분해 애퍼처(50) 이후에 감속될 수 있다. 감속은 종래의 또는 수소화붕소 이온이 소스로부터 추출되어 최종 주입 에너지보다 더 높은 에너지에서 분석기 자석을 통해 전달될 수 있기 때문에 저 에너지, 고 조사량 주입의 경우를 위해 도움이 될 수 있다. 이러한 더 높은 에너지에서, 내부 공간 전하력과 빔 내의 열 이온 온도의 효과는 분해 애퍼처(50)에서 실현될 수 있는 빔 전류의 크기에 덜 제한적이다. 일 실시예에서, 감속은 도 1과 3에 도시된 것처럼 3개의 비강자성 전극(60, 61, 62)의 연속을 통해 빔을 통과시킴으로써 구현된다. 일반적으로 크기가 0-30 kV인 감속 전압(Vd)(64)이 이온을 저 에너지로 감속시키기 위해 전극(60, 62) 사이에 인가될 수 있다. 도 1에 도시된 감속기 실시예는 진공 하우징(20)에서 통합될 수 있고, 최종 에너지 전극(62)은 절연기(66)를 가진 하우징(20)으로부터 절연된다. 감속하는 전기장의 존재에서, 공간 전하 중화 전자는 빔 밖으로 내보내진다. 결과되는 발산하는 공간 전하력은 진공 하우징(20)상에 장착된 피드-쓰루(63)를 경유해 중간적인 집속 전극(61)에 전압(Vf)(65)을 인가함으로서 반작용된다. 전압 Vf는 전극(62)에 대해 일반적으로 음인 0-30kV이다.
이온 감속기의 실시예는 도 1과 3에 도시된 특정 배치에 제한되지 않으며, 당업자는 특별한 입사 이온 빔 조건을 위한 이온 감속을 최적화하기 위해 다양한 구현을 인식할 수 있는데, 이는 임의의 개수의 작업가능한 전극(예를 들면 2, 3, 4개 등); 원형 또는 슬롯형 애퍼처를 가진 전극; 평면 또는 곡선형의 전극, 전극을 제조하기 위한 알루미늄, 흑연, 또는 몰리브덴과 같은 가볍거나 무거운 비강자성 재질; 이온 주입기의 특별한 구성에 따라 분리된 진공 하우징에서 또는 자석 진공 하우징(20) 내에 전극이 설치되는 다양한 진공 구성을 포함한다.
이온 감속기가 작동될 때, 자석 진공 하우징(20)과, 진공 하우징에 전기적으로 연결된 자석의 자극(26), 코어(28)와 요크 부분(30, 32, 34)과 같은 다른 부분들은 모두 감속 전압 Vd(64)에 대응하는 전압에 의해, 즉, 접지 전위에 대해 음의 0-30kV의 범위에 있는 전압에 의해 접지 전위로부터 전기적으로 편향되어야 된다.
일 실시예의 하나의 중요한 양상에서, 일체형 권선(80A-D)과 냉각 판(82A-E)은 두께가 대략 6-8mm인 전체 코일 조립체(40) 주위에서 불침투성 덮개(cocoon)(86)를 형성하기 위해 유리 섬유와 진공과 같은 다공성 절연 재질에서 둘러 싸여지고 수지를 사용해 진공 주입된다. 다른 실시예에서, 산화 알루미늄 같은 절연 분말은 수지를 채우기 위해 유리섬유 대신에 사용될 수 있고, 덮개는 주물 몰드를 사용해서 형성된다. 절연 덮개(86)는 코일 조립체가 자기구조의 나머지 부분, 즉, 코어(28), 자극(26), 진공 하우징(20)과 요크 조각(30, 32, 34)으로부터 최대 30 kV의 전압까지 전기적으로 절연되게 한다. 그러므로, 비록 자석의 나머지가 접지 전위에 대해 30 kV의 음의 편향을 가질 수 있지만 권선(80A-D)과 냉각판(82A-E)은 접지 전위에 공칭상으로 남겨질 수 있는데, 코일 전원(100)(도 2)이 표준 접지 교류 전력(102)을 사용해서 접지 전위에서 동작될 수 있기 때문에 이는 사실상 실질적인 비용 이득을 제공한다. 설명된 실시예는 코일 전원(100)의 30kV로의 절연을 제공하기 위한 필요를 회피한다. 보다 중요하게, 코일 전원(100)을 위해 30-40kVA의 입력 교류 전력을 위한 30kV의 절연 변압기를 사용할 필요를 또한 회피한다. 추가적인 이익은 일 실시예에서 예를 들면 29 kW인 냉각 판(82A-E)에 모여진 열을 제거하기 위해 필요한 수냉은 탈이온화된 액체를 사용할 필요 없이 접지 전위 소스(98)로부터 제공될 수 있다는 사실에 있다. 사실상 냉각 액체는 통상적인 탈이온화되지 않은 수돗물일 수 있다.
*도 1, 2를 참조하면, 권선에 대한 전류 단자(87)는 코일 단자(87)와 자석 주변간에 발생하는 아크 작용(arcing)과 전기적 방전 없이 최대 30 kV의 전압 절연이 코일 권선(80A-D)과 냉각판(82A-E)에 인가되도록 하기 위해 자석의 임의의 인접 부품으로부터 일반적으로 40 mm 이상의 거리인 위치에서 덮개(cocoon)(86)를 관통한다. 유사하게, 냉각 튜브(88)는 전호와 전기 방전을 회피하기 위해 자석 주변으로부터 적어도 40 mm의 안전한 작업 거리를 제공하는 방식으로 덮개(86)를 통해 제공될 수 있다. 냉각 튜브는 전기적 코로나를 제거하기 위해 에지와 코너 반경으로 구성되는 지합체(manifold)(89)로 용접될 수 있다. 이것들은 또한 자석 주변으로 전호와 전기 방전을 회피하기 위해 위치된다.
잔류 리드(90)와 냉각 라인(92)은 자석 요크 리턴(32)을 통과하는 절연 PVC 슬리브(94)를 경유해 코일로부터 접지 주변부(96)로 통과한다.
절연 덮개를 형성하고 권선 단자와 냉각 튜브를 외부로 배치시키기 위한 실시예는 상기 언급된 방법에 제한되지 말아야 한다. 당업자는 다른 유형의 수지 조성법(recipe)와 절연 재질을 사용하는 것을 포함하는 다양한 구현을 인식할 수 있다.
도 1을 참조하면, 자기 분석 후에, 빔은 자기 4중극 3중쌍(210)을 통과하고, 최종적으로 웨이퍼(70)를 조사하기 위해 웨이퍼 프로세스 체임버(72)로 진공하에서 빔-라인(76)을 통해 운반된다. 웨이퍼는 한 번에 하나씩 일렬로 처리되거나 빔을 통해 배치 웨이퍼의 반복된 기계적 통과에 의해 한번에 여러개씩 처리된다. 웨이퍼(70)는 적절한 전자기계적 매커니즘, 문, 및 진공 록(lock)을 통해 청정룸 구역에 반입되고 반출된다.
빔-라인과 처리 체임버의 실시예는 특별한 구성으로 제한되지 않는다. 예를 들면, 당업자가 인식하듯이, 빔-라인은 단순히 충격 표류(drift) 영역일 수 있거나, 빔이 4중극 3중쌍(210)에 진입하기 전에 감속되는 경우에 발생된 중립 입자를 필터링하기 위해 굴곡 자석과 같은 이온 광학 요소를 포함하는 많은 다른 특징을 포함할 수 있는데, 이런 중립 입자는 감속된 이온보다 더 높은 에너지를 가지며, 만약 이것이 빔 밖으로 필터링되지 않으면 이것은 반도체 디바이스 성능을 상당히 감퇴시킬 수 있는 웨이퍼(70)에서 보다 깊게 주입된다. 빔 라인(76)은 웨이퍼를 가로질러 한 방향으로 빔을 평행하게 스캔하기 위해 연관된 시준기 자석을 가진 자기 또는 전기 빔 스캐너를 포함할 수 있다. 이것은 상업용 주입기에서 이로울 수 있는데, 그 이유는 웨이퍼가 균일한 조사량을 달성하기 위해 빔 스캔 방향에 수직인 방향으로 기계적으로 스캐닝될 필요가 있기 때문이다.
도 12a를 참조하면, 자기 4중극 3중쌍(210)은 다운스트림 빔-라인(76)에서 구성 요소의 세부사항에 상관없이 종래의 이온과 클러스터 이온 양쪽 모든 경우에 대해서, 상업적인 이온 주입기에서 이롭다. 첫째로, 4중극 3중쌍의 3개의 개별 요소(211, 212, 213)의 자기장 세기는 웨이퍼(70)에서 빔의 수직 및 수평 방향 모두로 크기와 각도 발산을 제어하고, 이에 따라 웨이퍼(70)상의 빔 주입 조건을 최적화시키기 위해 독립적으로 조정될 수 있다. 이것은 고품질 주입을 달성하기 위해 상업용 이온 주입기에서 중요한데 특히 빔-라인에서 다운스트림 부품은 쉽게 조정가능한 넓은 범위의 집속 능력을 일반적으로 가지고 있지 않기 때문이다. 둘째로, 이온 빔의 사전 감속이 발생하는 경우에, 4중극 3중쌍은 감속 처리 이후에 적어도 한 방향으로 종종 발생하는 빔 발산을 제어하기 위해 또한 유용하다. 하나의 공통적인 실시예에서, 빔 진입 4중극 3중쌍(210)은 수직 방향으로 긴 방향을 가지고 형성된 리본이다. 이 경우에 제1 요소(211)는 수평 방향으로 대응하는 디포커싱(defocusing)을 가지고 수직 방향으로 집속을 야기하는 극성을 가지고 작동된다. 제2 요소(212)는 수평 집속과 수직 디포커싱을 야기하면서 211에 반대 극성을 가진다. 마지막으로, 제3 요소(213)는 제1 요소(211)와 동일한 극성을 가진다. 그러므로 집속(F)과 디포커싱(D) 조합은 수평 평면에서는 DFD이고 수직 평면에서는 FDF이다. 각각의 요소(211, 212, 213)에서 적절한 자기장 세기를 사용함으로써 전체적 순(net) 집속이 수직 및 수평 평면 양쪽 모두에서 동시에 달성된다.
매우 중요하게, 클러스터 이온의 경우에, 질량 분해 애퍼처(50)는 예를 들면옥타데카보랜의 경우에 대해서는 약 205 amu와 218 amu 사이의, 데카보랜의 경우에 대해서는 약 108 amu와 115 amu 사이의 이온 질량들의 범위를 전달하기 위해 충분히 넓게 설정될 때, 3중쌍의 4중극 요소의 개별 자기장 세기는 이온 빔에서 다른 질량 범위가 존재하는 경우에 일반적으로 발생할 수 있는 웨이퍼(70)에서의 각도 편향을 동시에 그리고 실질적으로 제거하기 위해 조정될 수 있다. 선택된 도 12a를 참조하면, m±△m의 이온은 이온 질량 m에 대응하는 중앙 이온 경로로부터 약간 다른 각도로 변위되는 수평 경로를 따라 4중극에 진입한다. 도 1과 관련하여 이전에 설명된 것처럼, 이러한 분리는 분석기 자석을 통해 다수의 질량 이온이 운반될 때 발생된다. DFD 집속 시퀀스의 적절한 조정에 의해, 이온 경로(203)는 서로 근사적으로 평행한 4중극으로부터 나타난다. 이러한 각도 편향을 제거하는 것은 상업적으로 중요한데 그 이유는 이것은 웨이퍼상에 충돌하는 빔에서 하나 보다 많은 이온 질량이 존재하는 결과로서 웨이퍼(70)에 대한 주입 각도 품질을 감퇴시키지 않으면서 클러스터 이온의 고 전류가 저 에너지, 고 조사량 주입 애플리케이션에서 사용되게 하기 때문이다.
하나 이상의 질량 분산 요소가 4중극 3중쌍을 지나서 빔 라인에 있을 때, 3중쌍의 차이 조정은 다른 질량 클러스터 이온의 전체 범위에 대해서 분석기 자석의 효과뿐만 아니라 이러한 다운스크림 요소의 질량 분산 효과를 보상할 수 있다.
도 12a와 12b를 참조하면, 일실시예에서, 4중극 자기장은 전류가 코일(206)을 통과하게 함으로써 발생된다. 각각의 4중극 요소는 4개의 강자성 코어 조각(217) 주위에 분리적으로 감겨진 4개의 코일을 가진다. 코어 조각은 알루미늄과 스테인레스 스틸과 같은 비강자성 물질로부터 제조된 진공 하우징(219)을 통해 관통되고 밀봉되는 강자성 자극 조각(214)에 고정된다. 인접한 코일은 4개의 자극간의 영역에서 소위 4중극 자기장을 생성하기 위해 반대 극성을 가지고 감겨진다. 자기 플럭스는 강자성 요크 구조(221)을 통해 자기적으로 연결된 코어 조각(217)을 경우해 하나의 자극에서 다른 자극으로 반환된다. 코일(206)의 권선은 물 또는 다른 적절한 냉각 액체를 사용해 직접적으로 냉각되는 직사각형 섹션 구리 튜브(215)로부터 제조된다. 흑연 라이너(216)는 자극(214)의 표면과 진공 하우징(219)의 내부 벽으로부터 중이온 오염을 빔 스트라이크(strike)가 스퍼터링하는 것을 막는다.
4중극 구조는 도 12a와 12b의 상기 언급된 설명에 제한되지 말아야 하며, 다음과 같은 것들을 포함하는 다양한 구현들을 인식할 수 있다: 수직 및 수평 평면에서 전체적인 집속을 획득하기 위해 DF와 FD 시퀀스를 제공하기 위해 3개의 요소가 아닌 2개의 요소를 사용하기; 자기 4중극 자기장이 아니고 정전기 자기장의 사용.
종래의 이온 뿐만 아니라 클러스터 이온을 사용해 이온을 주입하기 위해 적합하고 자기 스캐님 빔-라인을 이용하는 일 실시예가 도 13에서 도시된다. 리본 형 빔(300)은 도 1과 관련되어 설명된 것같이 12.5 mm의 애퍼처 폭 ws과 100 mm의 높이 hs를 가진 이온 소스로부터 추출된다. 빔은 도 2, 4,와 5에 도시되고 이전에 설명된 것처럼 절연된 코일(304)을 가진 120도 섹터 굴곡 자석(302)을 사용해 자기적으로 분석된다. 자극 형상은 도 8a와 8b에서 도시된 자극 에지 시밍(shimming)을 가진다. 빔은 도 10a-d에 도시된 조정 가능한 질량 분해(선택) 애퍼처와, 도 3에 도시된 3개의 전극을 가진 감속 유닛(306)과, 도 12a와 12b에 도시된 자기 4중극 3중쌍(380)을 통과한다. 그리고 나서 빔은 자기 스캐너(310)와 시준기(312)을 통과하는데, 이것들은 집합적으로 웨이퍼(70)를 가로질러 한 측면(320)에서 다른 측면(321)으로 수평 방향으로 빔을 평행하게 스캐닝한다. 도 13을 참조하면, 개략적인 묘사가 웨이퍼의 한 측면상의 빔(314), 웨이퍼의 중심에서의 빔(318) 및 다른 측면상의 빔(316)을 도시한다. 실시예의 중요한 양상은 빔 스캐너와 시준기 양쪽 모두가 동일한 의미에서 빔을 굴곡시킨다는 사실이다. 결과적으로, 조합된 스캐너와 시준기의 이온 빔 경로 길이와 자기 집속 특성은 3개의 빔 위치(314, 318, 316)에 대해 유사하다. 결과적으로, 웨이퍼상의 빔의 수평 스캔 위치에 상관없이, 자기장 세기 설정의 하나의 세트는 빔 크기와 각도 확산을 동시에 최적화하고, 매우 중요하게 다수의 질량 수소화붕소 이온과 클러스터 이온이 일반적으로 사용되는 경우에 각도 편차를 제거하는 3개의 자기 3중극 요소에 대해 발견될 수 있다.
도 13에 도시된 빔-라인의 하나의 유용한 상업용 실시예에서, 이전에 설명된 빔 라인 파라미터가 다음의 값을 가진다:
A. 분석기 자석: R=500 mm, Φ=120°; G=118 mm; s1=31 mm; s2=8.6 mm; h1=8.7 mm; h2=4.7 mm; W=166 mm; 굴곡력=80 keV 옥타데카보란, ws=12.5 mm와 hs=100 mm인 소스 애퍼처로부터 이온을 받아들임.
B. 질량 선택 애퍼처: 최소 약 8 mm에서 최대 약 38 mm, 지속적으로 조정가능함.
C. 감속기 전극; 50 mm 폭 x 118 mm 높이의 애퍼처 크기를 가진 3개의 평면.
D. 4중극 삼중쌍: 애퍼처: 자극 정점들 간에 대각선으로 80; 0-5 k 가우스로 조정가능한 자극 정점 자기장.
E. 빔 스캐닝 자석; 수직 간격=80 mm; 굴곡력=80keV 옥타데카보란
F. 시준기: 굴곡 반경 900 mm; 자극 간격=80 mm; 굴곡력=80 keV 옥타데카보란.
스캐너(310)와 시준기(312)에 의해 집합적으로 생성되는 전체 편향은 30도이다. 굴곡 방향은 이온 주입기의 폭을 최소화하기 위해 분석기 자석의 굴곡 방향과 반대인데, 이는 사실상 비용과 설치 궤적(footprint)을 감소시키는 중요한 고려이다.
웨이퍼에서 빔 크기와 각도 발산은 4중극 3중쌍에서 개별 4중극 요소의 세기를 다르게 조정함으로써 제어된다. 중요하게, 일반적으로 수소화 붕소 및 클러스터 이온의 경우에, 3중쌍은 분석기 자석, 자기 빔 스캐너, 및 자기 시준기에 의해 도입된 집합적 질량 분산을 또한 보상한다. 4중극 요소 세기를 적절하게 설정함으로써, 다수의 질량 구성요소로부터 각도 편향이 실질적으로 제거되는데, 즉 전체 스캐닝 범위상에서 0.15도보다 낮게 감소된다.
질량 선택 애퍼처에 후속하는 감속 후에 빔내에 남아있는 고에너지 입자는 웨이퍼에 도달되지 않는데, 그 이유는 이것이 스캐너와 시준기의 결합된 빔 편향에 의해 빔으로부터 필터링되기 때문이다.
도 1과 도 13의 실시예에서 사용하기 위한 도 14와 14a의 이온 소스(11)는 B18H22 또는 B10H14 증기로부터 예를 들면 수소화붕소 B18Hx + 또는 B10Hx +와 같은 클러스터 이온을 생성한다. 도 1과 6을 참조해서 이전에 설명된 것처럼, 그리고 이 실시예에 대해 도 14와 15b에서 더 상세히 도시된 것처럼, 이온은 억제 전극과 접지 전극을 포함하는 정전기 추출 전극 시스템에 의해 이온화 체임버로부터 추출되고, 이온은 폭 ws와 높이 hs를 갖는 이온 소스 몸체의 전면판에서 수직으로 향하는 슬롯의 형태로 추출 애퍼처(12)를 통해 잡아 당겨진다. 이온 빔 라인의 분산면은 도 15a에서 폭 ws의 방향으로 있으며, 반면 비분산면은 도 15b에서 높이 hs의 방향으로 있다.
도 14는 클러스터 이온 빔 추출 시스템의 두 개의 변이의 분산 평면 횡단면을 보여 준다. 추출 시스템은 3개의 판으로 구성되어 있다: 이온이 소스 전위(예, 단자 전위보다 60kV 위)에서 이온 소스로부터 추출되는 이온 추출 애퍼처(I), 임의의 백스트리밍 전자를 억제하기 위해 단자 접지 전위보다 일반적으로 수 kV 밑으로 유지되는 억제 전극(II)과, 단자 전위로 유지되는 접지 전극(III).
추출 애퍼처 판(I)은 약 20mm 두께이다. 추출 애퍼처에 인접하는 평평한 섹션은 양쪽 변이(I)에 대해 동일하다. 제1 경우에, 빗각(bevel)은 판의 두께 전체에 걸쳐 균일한 각도를 가지며, 반면에 제2 경우에서 증가하는 각도의 2중 빗각이 존재한다.
양쪽 설계의 시스템은 넓은 각도상에서 조정가능하다.
도 14, 14a, 15a와 15b의 실시예는 이온화 체임버(10')내에서 클러스터 이온을 생성하기 위해 가속된 전자의 형성된 빔(330)을 이용한다. 이런 유형의 이온 소스는 추출 전극(14')으로 하여금 이온 소스 몸체의 전면판(370)에서 가공된 슬롯 애퍼처(12')로부터 최대 약 1mA/cm2까지의 전류 밀도가 추출되게 하기 위해 분자 이온의 충분한 밀도를 생성한다. 도 1과 6에서 사용하기 위한 바람직한 실시예에서, 슬롯 크기는 약 100 mm 높이 hs x 12.5 mm 폭 ws이다. 더 크거나 더 작은 크기의 슬롯은 실질적으로 유사한 피크 추출된 전류 밀도를 가진 대응되게 더 크거나 더 작은 분량의 전체 추출된 분량의 전류를 산출할 것이다.
T. Horsky에 의해 이전에 설명된 원리를 이용해서, 이러한 도면의 이온 소스(11')는 이온화된 증기 분자의 무결성을 유지하기 위해 필요한 부드러운 이온화를 제공하기 위해 도 14의 빔(330)의 에너지화된 전자의 충격을 사용한다. 수소화붕소 공급 재질의 증기를 사용해서 양호한 빔 전류 성능을 제공하기 위해 구성될 때 이러한 이온 소스는 또한 종래의 가스 박스와 이온화 체임버(10')로의 가스 공급을 사용해서 비소(arsine)와 포스핀 가스로부터 비소와 인 이온 빔의 수 mA를 생성할 수 있다. 도 14의 이온 소스는 가속된 전자의 형성된 빔(330)을 생성하기 위해 이온화 체임버(10')의 외부에 필라멘트와 전자 광학 시스템을 포함하는 원격으로 위치된 전자건(340)을 채용한다. 따라서 이온 부식과 관련된 필라멘트 마모가 최소화되고, 이는 긴 필라멘트 수명을 보장하는 것을 돕는다. 외부적으로 생성된 에너지화된 전자 빔(330)은 이온이 이온 광학 시스템에 의해 추출되는 그 전체 길이를 따라 긴 직사각형 슬롯(12') 바로 뒤에 이온 영역을 생성한다. 이 목적을 위해, 전자 건(340)은 1mA와 100mA 사이의 전자 빔을 생성한다. 빔은 자기 2중극에 의해 90도를 통해 편향된다. 일단 편향되면, 빔은 추출 슬롯 애퍼처(12')의 길이에 평향한 수직 경로를 가로질러 이온화 체임버(10')로 주입된다. 전자 빔은 수직으로 지향된 자기장(350)에 의해 이 경로에 한정되고, 자기 감금(confinement)은 주입된 전자 빔의 이온화 효율을 최대화하기 위해 각 설계에 대해 최적화된다. 추출 애퍼처(12') 뒤에 통과한 후에, 전자 빔(330)의 사용되지 않은 부분은 빔 덤프(360)에 의해 가로채진다.
이온 소스(11)로의 전자 방출 전류와 또한 공급 재질의 흐름을 변경함으로서, 5μA와 3 mA 사이의 안정된 전기 이온 빔 전류가 달성될 수 있다. 예로써, B18H22 또는 B10H14 증기는 증기의 이온화 체임버(10')로의 흐름을 조절하는 압력 제어 디바이스를 통해 외부적으로 장착된 가열된 기화기로부터 이온 소스로 일반적으로 도입된다. 비소와 포스핀과 같은 소스 가스의 형태의 공급 재질에 대해서, 분리된 가스 공급 통로는 이온화 체임버에게 제공된다.
이러한 큰 간격 빔 라인 시스템의 이익은, 심지어 종래의 이온을 가지고 채용될 때 조차, 더 큰 전체 빔 전류와 더 나은 빔의 전송을 포함한다. 큰 추출 애퍼처와, 더 낮은 이온 밀도의 사용에 의해, 이온 빔 전류 밀도에 대한 차일드-랑그무어(Child-Langmuir) 제한이 회피되고, 더 큰 전체 빔 전류는 큰 간격 시스템을 통해 전송하기 위해 추출될 수 있다. 또한, (종래의 버나스-유형 소스의 것과 비교해서) 더 낮은 이온 밀도와 따라서 추출된 이온 빔에서 더 낮은 전하 밀도 때문에, 내부 쿨롬 공간 전하력에 의해 야기되는 빔 파열(blow-up)이 감소된다. 이것은 이온 빔이 더 작은 각도 발산과, 목표물 표면상에 입사각의 향상된 균일성을 가지고 목표물에 도달하게 한다. 열 움직임뿐만 아니라 공간 전하력은 추출된 이온 빔이 여전히 분산과 비분산 방향 양쪽 모두로 확장되는 경향을 야기한다. 도 15a와 15b의 이온 광학 추출 시스템은 렌즈 전압의 인가에 의해 분산된 그리고 비분산된 평면에서 이온 빔을 효과적으로 형성하고 집속하기 위해 구성된다.
도 15a는 이 도면의 평면에서 분산 평면을 가지고 모두 수평 단면에서 이온 소스 체임버(10'), 판에서 형성된 추출 슬롯 애퍼처(12'), 억제 전극(14')과, 접지 전극(7')을 도시한다. 분산 평면에서, 이온 빔(19')은 도 1의 분석기 자석(21)의 수용으로 wb에서 집속된다. 빔 방향을 따라 이온 소스의 애퍼처 판(370)에 대해 전극 요소(7', 14')의 위치는 당업계에서 알려진 움직임 제어 디바이스에 의해 가변적이다.
바람직한 실시예에서, 도 15와 15b에서 도시된 것처럼, 이온 소스 체임버(10')의 전면판(370)은 조정가능한 렌즈 요소로서 또한 역할을 하기 위해 슬롯 애퍼처(12')에서 나이프(knife) 에지(12A)로서 형성된다. 이런 목적을 위해서, 애퍼처 판(370')은 T. Horsky 등에 의해 이전에 설명된 이온 소스 몸체의 나머지로부터 절연기(12B)에 의해 전기적으로 절연된다.
빔 웨이스트 wb를 생성하기 위해 분산 평면에서 이 렌즈 시스템의 집속 길이는 그 형태와 인가된 전압에 의해서뿐만 아니라 전극 요소의 빔 에너지와 위치에 의해 강제된다. 이전에 설명된 것처럼, 빔(22)은 그리고 나서 도 3과 관련되어 설명된 것처럼 질량 선택 애퍼처(50)에서 폭 wr의 분산 평면에서 켤레 이미지를 형성하기 위해 분석기 자석에 의해 집속되고, 이에 후속되어, 빔(210)은 3중쌍에 진입하기 위해 적절한 크기를 가지고 4중극 3중쌍에 도달한다. 3중쌍(210)을 통과하는 수평 평면에서 일반적인 빔 엔벨로프는 중앙 질량 피크의 경우에 대해 도 16a에서 표현된다. 질량 피크의 범위에 대해 분리 및 주요한 광선 경로는 도 12a에서 이전에 설명되었다.
도 1과 13의 시스템에서, 4중극 3중쌍(210)으로 "Y" (비분산) 평면에서 집속은 어떠한 "Y" 방향 집속도 분석기 자석에서 발생하지 않으므로 이온 소스의 추출 광학에 의해 달성된다. 도 15b의 실시예에서, 비분산적 평면에서 이온 빔을 집속하기 위해, 추출 슬롯(12')의 나이프 에지(12A) 뿐만 아니라 억제 및 접지판(7', 14')은 곡률 반경으로 제조되어, 그 결과 각각은 볼록 프로파일을 이온 소스에 제공하고, 오목 프로파일을 다운스트림 빔 라인으로 제공한다. 도 1b에 도시된 이 곡률은 추출된 빔(19')의 높이의 수렴을 생성한다. 실시예에서, 1 미터의 곡률 반경 R이 채용된다. 다른 실시예에서, 다른 반경이 가능하다; 일반적으로 추출판에 적용되는 더 작은 반경은 더 짧은 비분산 평면 집속 길이와 따라서 더 큰 정도의 수렴을 생성하고, 더 긴 반경에 대해서는 역이 성립한다. 이렇게 형성된 트리오드(triode)의 사용에 의해, 비분산 평면에서 간단하고 공간-효율적인 집속이 달성되고, 도 16b를 참조하면, 분석된 빔(22')은 3중쌍(210)에 진입하기 위해 비분산 평면에서 크기가 정해진 엔벨로프 내에서 4중극 3중쌍(210)에 도달한다.
* 분석기 자석의 비분산적 평면에서 이온 소스의 추출 광학기에 의해 생성된 빔 수렴도는 전체 클러스터 이온 빔 전류와 이온 에너지의 강도에 따라 변하고, 수 마이크로암페어에서 수 밀리암페어까지의 빔 전류의 범위와, 약 4keV에서 80keV까지의 에너지의 넓은 범위상에서 4중극으로의 입구에서 수용되도록 빔의 크기를 정하기 위해 최적화된다. 4중극 3중쌍은 웨이퍼(70)에서 비분산(수직)과 분산(수평) 모두에서 웨이퍼에서 빔 크기와 각도 발산의 최종 최적화를 제공한다.
하지만 분석기 자석 이전에 빔의 비분산 평면 집속을 위한 시스템의 실시예는 특별한 구성에 제한되지 않는다. 시스템은 애퍼처 판이 렌즈 요소로서 작용하지 않거나, 추가적 렌즈 요소가 채용될 수 있거나, 4중극 집속 요소가 포함될 수 있는 곳에서 가능하다.
분석기 자석에 선행하는 광학 시스템에 의해 비분산적 평면 집속을 제공하여, 분석기 자석 설계에 대한 요구는 간략화되며, 한편 분석기 자석과 사후 처리 4중극 3중쌍(210)을 통해 매우 효율적인 이온 빔 전송을 제공한다. 낮은 밀도 이온 추출을 가지고 획득된 감소된 발산과 함께, 이것은 통로 벽상에 이온의 타격을 감소시키는 경향이 있으며, 더 작은 해로운 증착, 더 나은 유용한 빔 전류와 빔의 더 작은 오염을 야기한다. 도 16b에서 도시된 것처럼, 이렇게 생성된 약 6cm의 수직 높이를 가진 잘 시준된 빔은 비록 빔이 10 cm 높이의 추출 슬롯으로부터 생성되었을지라도 도시된 비분산적 평면 집속을 가진 4중극 3중쌍으로 주입될 수 있다.
도 17은 도 13에 따른 스캐닝 시스템을 채용하고, 도 14, 15a와 15b에 따른 이온 소스를 채용하는 옥타데카보랜으로부터 유도된 자기적으로 스캐닝된 붕소 입자를 보여준다. 빔 전류는 도 13에서 시준기(312)의 진공 하우징의 출구 포트에서 측정되었다. 빔 전류는 직류로부터 170 Hz의 전체 스캔 스윕 주파수 범위상에서 본질적으로 변경되지 않는다. 이러한 측정된 입자 빔 전류는 종래의 고정된 빔, 고 전류 이온 주입기로부터 여기서 보고된 것보다 매우 훨씬 높다. 더 나아가 이 빔 전류는 웨이퍼의 바로 전에 감속을 사용하기 위한 필요 없이 달성될 수 있는데, 이 기술은 종종 저 에너지 빔 전류를 향상시키기 위해 종래의 높은 전류 주입기에서 사용되지만 (a) 웨이퍼상에 충돌하는 이온에서 수 도의 큰 각도 확산을 도입하고, (b) 감속 후에 중립 입자 필터링의 부재에서 웨이퍼에 도달하기 위해 감속 전에 또는 동안에 중화된 고 에너지 입자를 허용하는 단점을 가진다. 이러한 높은 에너지 입자는 웨이퍼 안으로 관통하고, 일반적으로 주입 품질을 감퇴시키고, 이것은 현재의 매우 얕은 CMOS 접합의 생산을 위해 바람직하지 않다.
B+, P+, As+와 같은 단원자 도핑 이온의 저 에너지(10 keV 미만)에서 매우 높은 빔 전류(5 mA 초과)의 버나스 유형 이온 소스를 추출하고 자기적으로 분석하는 것은 매우 어렵다는 것이 잘 알려져 있다. 비록 고 전류가 소스 그 자체로부터 성공적으로 추출될 수 있을 지라도, 자기 분석기로의 주입과 자기 분석기 주위에서의 운반은 어렵다고 증명되는데, 그 이유는 이온 빔 내에서 공간 전하 중화 전자를 형성하기 위해 이온에 대해 이온화 단면은 매우 작고, 10-15 keV의 에너지 정책 아래에서 에너지를 매우 급속하게 떨어뜨린다. 전자를 빔으로 직접 삽입하여 또는 전자를 플라즈마 건을 통해 도입시켜서 빔 중화를 향상시키기 위한 시도는 분석기 자체의 자기장의 바로 그 존재에 의해 일반적으로 망쳐지고, 그러므로 상업용 이온 주입기에 일반적으로 이롭지 않은 기술이다.
하지만 다른 하나의 잘 알려진 기술은 가스 또는 증기를 이온 소스 및/또는 분석기 자석의 진공 하우징 내의 영역으로 새어나오게 하여 빔 내의 저속 음의 이온을 중화하는 보다 많은 공간 전하를 생성하는 희망에서 더 높은 가스의 압력을 가지고 빔 경로를 넘치게 하는 것이다. P+와 As+이온 전류는 질소의 가스 누출을 가지고 약간 증가되었지만, 이것은 일반적으로 B+ 이온 전류를 감소시킨다. Sinclair 등은(미국 특허 5,814,819 1998년 29일) 버나스 유형 이온 소스로부터 추출될 수 있고, 분석기 자석을 통해 운반될 수 있는 단원자 붕소 전류를 향상시킬 수 있다는 것을 발견하였다. 이러한 중화 방법은 상업적 주입기에서 폭넓게 성공적이거나 채택되지 못했는데, 그 이유는 저 에너지에서 고 빔 전류는 일반적으로 분석기 자기장의 존재에서 특히 플라즈마 안정성의 물리적 조건을 초과하기 때문이다. 결과적으로, 생성된 이온 빔은 종종 안정적이지 않고, 불안정성은 빔 크기에서 작은 통계적 변동에 의해 야기되고, 전류는 이온 소스로부터 추출된다. 빔 전류는 종종 재생성가능하지 않고, 온도 변이와 관련된 정확한 이온 소스 파라미터 튜닝과 변화에 매우 중요하게 의존할 수 있다.
도 14, 14a, 15a와 15b에서 표현된 클러스트 유형 이온 소스의 이점은 추가적인 배경 가스 중화는 일반적으로 요구되지 않는데, 그 이유는 실제 클러스터 이온 빔은 비교적 유용한 단원자 이온 빔의 경우에서 보다 훨씬 더 높은 에너지와 훨씬 더 낮은 전류에 있고, 결과적으로 플라즈마 불안정성을 야기하는 조건은 회피되기 때문이라는 것이다.
도 13에 표현된 긴 빔 라인의 경우에서, 분석기의 출구로부터 웨이퍼로의 경로 길이가 2 m보다 더 길고, 심지어 빔 라인 4중극, 스캐닝 자석, 시준기 자석, 및 최종 처리 체임버를 통해 0.5-0.7m의 표류를 수용하기 위해 3 m만큼 긴 경우에, 이온 빔이 전자와 완전히 중화되지 않으며, 빔이 웨이퍼로의 빔 전송을 향상시키고, 웨이퍼에서 빔 크기를 감소시키기 위해 스캐너와 시준기 영역에서 SF6와 같은 전자음 가스의 작은 분량을 추가하기 위해 빔이 스캐너와 시준기와 같은 자기장을 통과해야 하는 낮은 에너지에서 유용하다고 발견되었는데, 이 양쪽 모두는 향상된 웨이퍼 처리량과 주입 효율을 초래한다.
도 13과 17을 참조하면, 약 1 keV 미만의 단일 입자 주입 에너지에서, 웨이퍼 상의 빔 전류는 흐름 제어 밸브(307)과 튜브(309)를 통해 스윕 자석(310)의 진공 하우징으로 작은 양의 SF6 가스(305)를 집어넣으므로써 1.5-2의 인자에 의해 상당히 향상될 수 있다. 이것은 SF6가 클러스터 이온과의 상호작용을 통해 클러스터 이온 내에서 음의 이온을 쉽게 형성하기 때문이다. 이러한 음의 중이온은 낮은 이동성을 가지고, 빔의 전위 내에서 에너지화되게 트랩되는(trapped) 것은 빔 라인의 수용 애퍼처를 넘어서 빔이 파열하게 할 수 있는 빔 내의 내부 공간 전하력을 중화시키는데 있어서 효과적이다. SF6의 존재는 시준기(312)의 출구와 웨이퍼(70)의 위치 사이의 표류 영역에서 빔 파열을 감소시키는 것의 결과로서 웨이퍼에서 전송된 빔 크기를 50-70% 정도 상당히 감소시킨다. 빔 전류를 향상시키기 위해 필요한 SF6의 일반적인 흐름 속도는 단지 2-3E-6 토르의 압력 상승을 발생시키는 분 당 0.1 표준 cc이다. SF6는 상대적으로 비활성 가스이고, 이러한 저압에서 그 사용은 직접적으로 또는 클러스터 이온 빔 자체와 상호작용을 통해 주입하는 것에 일반적으로 손상적이지 않다고 생각된다.
도 17a를 참조하면, 1 keV 미만 그리고 특별히 0.5 keV 미만에서, 빔 전류는 도 3에 도시된 3개의 전극 감속 시스템(306)를 작동함으로써 도 13에 도시된 실시예에서 더 향상된다. 최적의 작동에서 감속 비율은 근사적으로 2:1인데, 이는 최종 감속된 에너지는 분석기 자석(302)를 통과하는 빔의 에너지의 약 절반이라는 것을 의미한다. 중앙 집속 전극(61)상의 전압 Vf(65)(도 3을 보라)은 분석기 자석의 분석기 진공 하우징(20)보다 약 1-3kV만큼 약 더 음이다. 비록 이 현상이 완전히 이해되지는 않지만, 빔 전류는 약 100V의 작은 감속 전압(Vd)을 적용함으로서 10-30%만큼 향상된다는 것이 저 에너지 정책에서 발견되었다.
도 17a에서 데이터에 의해 도시된 것처럼, 감속 시스템(306)에 후속되는 영역에서 주입된 SF6와 같은 중화 가스의 이용은 도 13에서 도시된 것처럼 감속에 후속되는 빔의 저 에너지와 긴 빔 라인에서 공간 전하 파열의 가능성 때문에 특별히 효과적이다.
당업자는 저 에너지 이온 빔의 내재적 양의 공간 전하를 실질적으로 중화하기 위해 가스 또는 증기를 이용하는 다른 구현을 인식할 수 있는데, 이 다른 구현은 수증기(H2O) 또는 BF3와 같은 다른 전자음의 가스를 이용하기, 4중극 또는 시준기 진공 체임버와 같은 긴 빔 라인의 분석기 자석 이루에 다른 영역으로 가스 또는 증기를 진입시키는 것을 포함하는데, 여기서 빔은 저 에너지에서 공간 전하 파열되기 쉽다.
* 이런 시스템의 성능은 일반적으로 클러스터 이온을 사용해서 그리고 특히 수소화붕소 이온을 사용해서 실현될 수 있는 표류-모드 빔 전류의 실현성과 굉장한 향상을 보여 준다. 이 결과는 이온 주입기 도구의 새로운 생성을 위한 길을 열었고, 이러한 빔이 운반하기 어렵고, 심지어 진공 시스템과 이온 주입기에 공통적으로 사용되는 일반적인 빔 라인 아키텍처에서 스캔하기가 더 어렵다는 이전의 어느 정도 광범위하게 유지되는 염려를 끝내게 했다. 스캐닝과 시준기 자석을 통과하는 긴 빔 경로를 사용해서 조차, 가스 감쇠 측정은 가스 흩어짐, 중화, 및 이온 파열로부터의 빔 손실이 단지 수 퍼센트라는 것을 보여 준다.
도 1과 13의 대안적인 실시예는 이중 모드 이온 소스를 채용한다. T. Horsky에 의해 이전에 설명된 것처럼, 이중 모드 이온 소스의 한가지 형태는 예를 들면, 분자 이온을 생성하기 위해, 또는 아크 방전 모드에서 단량체와 다중 하전된 이온의 고 전류를 생성하기 위해, 방금 설명된 전자 충격 모드에서 동작할 수 있다. 동작의 각 모드에서 생성된 이온은 도 4 또는 도 10a-10d의 질량 선택 애퍼처(50)의 적절한 변이를 가지고 동일한 이온 광학 시스템에 의해 동일한 슬롯형 애퍼처를 통해 추출되어, 분석기 자석의 동일한 큰 간격과 여기서 설명된 이온 주입기 빔라인을 통과할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 6 내지 8 mm의 좁은 애퍼처를 사용해서 단량체 도펀트에 대해 60 이상의 질량 분해능의 이득이 취해질 수 있으며, 한편 많은 질량 정점으로부터 전류를 이용하기 위해 B18Hx와 B10Hx의 이온에 대해 28 또는 29 mm의 애퍼처와 같은 훨씬 큰 질량 선택 애퍼처가 다중 도펀트 원자를 갖는 분자 이온을 위해 채용된다.
하나의 바람직한 형태에서, 이중 모드 이온 소스는 형성된 전자 빔과 분리된 아크 방출기를 제공하기 위해 전자 건을 갖기 위해 구성된다. 전자 충격 이온화에 대해서, 단지 전자 건이 사용되고, 큰 단량체 전류와 다중 하전된 이온을 생성하기 위해 단지 아크 동작이 사용되고, 아크 방출기는 버나스 소스에서 공통적으로 사용되는 것보다 일반적으로 낮은 강도를 통해 버나스-유형 소스의 것과 유사한 플라즈마 방전을 타격한다. 이러한 이중 모드 이온 소스는 증기와 가스 입구 통로를 통합한다.
이중 모드 이온 소스의 예는 도 18에서 도시된다. 이온 소스(11'')는 도 14의 것과 유사하지만, 도 14의 빔 덤프(360)는 아크 방전 모드 동안 필라멘트(390)에 의해 가열된 간접적으로 가열된 캐소드로서 작용하는 부재(280)로 대체된다. 일반적으로 알려져 있는 것처럼, 간접적으로 가열된 캐소드의 사용은 필라멘트가 소스 플라즈마로부터 이격되어 높은 진공 환경에서 원격으로 위치되기 때문에 노출된 필라멘트 방출기보다 더 긴 수명을 허용한다.
전자 충격 이온화 모드에서 도 18의 실시예의 전자건(340')과 연관된 자기장은 도 14에 대해 설명된 것과 동일한 방식으로 수행된다. 전자 빔의 사용되지 않은 부분은 부재(380)(아크 방전 모드 동안 캐소드로서 작용하기 위해 스위칭되는 부재)에 의해 제공된 빔 덤프에 의해 가로채질 수 있다.
아크 방전 모드에서, 전자 건(340')이 사용되지 않는다, 캐소드 부재(380)는 체임버(10'')의 벽으로 아크 방전을 생성하기 위해 필라멘트(390)를 가열함으로써 전력이 공급된다. 이것은 자기장(350')의 방향을 따라 플라즈마 컬럼을 생성하고, 자기장은 일반적으로 약 100 가우스보다 작지만, 플라즈마 포획을 제공하기 위해 충분히 크다. 여기서 설명된 상기 도면들의 큰 간격 빔 운반 광학기의 이익을 취하는 실시예에서, 이온 추출 슬롯(12'')은 높이 hs가 80 mm이고, 폭 ws가 10mm일 수 있다. 여기서 설명된 큰 간격 빔 운반을 가지고 채용될 수 있는 다른 실시예에서, 추출 슬롯은 예를 들면 높이 100 mm에서 폭 12.5 mm까지 증가될 수 있으며, 한편 60보다 높은 질량 분해능을 여전히 달성한다. 다른 더 작은 크기가 또한 가능하다. 종래의 버나스-유형 플라즈마 소스에 대한 이러한 실시예의 큰 추출 영역으로 인해 그리고 아크 방전의 더 낮은 강도로 인해, 아크 방전 모드에서 생성된 플라즈마 밀도는 통상적인 버나스 소스보다 작지만, 통상적으로 1011 이온/cm3보다 크고 고 조사량, 저 에너지 클러스터 도핑과 재질 변형 주입뿐만 아니라 중간 조사량의 종래의 주입을 제공할 수 있는 범용 이온 주입기를 위해 매우 유용하다.
도 19를 참조하면, 다른 실시예가 중간 전류 이온 주입기에 대해 도시된다. 수소화붕소 이온을 가지고 작동하기 위해, 다른 질량(416, 417, 418)의 이온이 추출 전극(414)에 전압을 인가함으로써 애퍼처(412)를 통해 이온 소스(410)로부터 추출된다. 이온은 그리고 나서 90도의 분석 자석(426)으로 통과되고, 그리고 나서 조정가능한 분해 질량 선택 애퍼처(450)를 통과한다. 실린더형 3개의 전극 사후 가속 구조(441, 442, 443)가 5-250 keV의 범위의 최종 에너지를 제공하기 위해 40 keV의 소스 추출 에너지로부터 이온을 사후 가속하거나 감속시킬 수 있다. 사후 가속기의 중앙 전극은 사후 가속기의 양쪽 중 어느 한쪽에 위치한 자기 또는 전기의 사후 가속기 영역과 자극(440, 441)을 통과할 때 이온 빔의 집속의 다양한 정도를 획득하기 위해 조정가능한 전압이 제공될 수 있다. 사후 가속기에 후속하여, 사후 가속(또는 감속) 동안 부정확한 에너지를 가지고 생성된 이온 또는 중립 입자를 제거하는 최종 에너지 자석(444)이 존재한다. 최종 에너지 자석에 뒤이어, 스캐너 자석(446)과 동일한 의미로 빔을 굴곡시키는 시준기(448)와 연계하여 작동하는 자기 스캐너(446)가 후속된다.
사후 가속기 집속 전극(442)와 연계하여 4중극(440, 441)의 세기는 웨이퍼(70)에서 수직 및 수평 방향으로 빔 크기와 각도 발산을 최적화하기 위해 조정될 수 있다. 더 나아가, 보다 중요하게, 수소화붕소 이온을 위해, 그리고 참으로 일반적으로 클러스터 이온을 위해, 다른 경우 다중 질량 이온의 존재에서 초래될 수 있는 각도 편차를 동시에 최소화하는 것이 가능하다. 최종 에너지 자석(444)의 존재 때문에, 사후 가속기 집속 전극(442)와 연계되어 4중극(440, 441)의 세기를 조정하는 것이 또한 가능하여, 그 결과 다중 질량 이온으로부터의 각도 편차가 실질적으로 제거될 뿐만 아니라 다중 질량 이온의 존재로부터 야기되는 수평적 확장이 웨이퍼(70)를 가로질러 스캔할 때 빔에서 실질적으로 제거될 수 있다. 다른 질량 이온(416, 417, 418)에 대한 중앙 광선의 경로는 집속 전극(442) 근처의 지점(419)에서 교차한다. 이것은 최종 에너지 자석(444), 빔 스캐너 자석(446)과 시준기(448)에서 발생하는 결과적이고 집합적인 질량 분산을 보상한다. 이러한 특징은 주입 품질을 향상시키고 웨이퍼 처리량을 최대화하기 위해 중간의 전류 주입기에서 상업적으로 유용하다.
도 19의 실시예에서 채용된 이온 소스와 추출 광학기는 도 14-16b와 도 18에 대해 설명된 것의 적절하게 크기가 조정된 버전일 수 있다.
많은 실시예가 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 다양한 변형이 본 발명의 정신과 범위를 이탈하지 않고 수행될 수 있음이 이해될 것이다. 이에 따라, 다른 실시예들이 다음의 청구항들의 범위 내에서 있다.
본 발명의 분야는 이온을 반도체 웨이퍼와 다른 기판 목표물로 주입하는 것에 이용가능하고, 구체적으로, 본 발명은 B, P, As, Sb 원소와 같은 전기적 도펀트종(species)의 다중 원자를 포함하는 분자 이온을 효율적으로 주입하는 것에 이용가능하다.

Claims (6)

  1. 이온 소스와 사용하기 위한 이온 주입 빔 라인으로서,
    상기 빔 라인은 빔 경로에 굴곡을 도입하는 자기 스캐너와 자기 시준기 조합체에 의해 후속되는 질량 분석기 자석을 포함하고, 이온 주입기 빔 라인을 위한 분석기 자석은 500 mm의 중앙 경로 반경, 120°의 섹터 각도와, 적어도 80 mm의 자극 간격을 가지고, 자석은 코일의 단일 쌍과 관련되고, 자석은 자극 간격에 진입하고 나가는 이온 빔 경로의 축에 수직인 입구 및 출구 자극 면을 가지고, 분석기 자석은 섹터 자석의 굴곡면에 수직인 평면에서 빔에 대한 실질적으로 아무런 집속 효과를 가지지 않고, 자기 스캐너와 자기 시준기는 동일 의미에서 이온 빔을 연속적으로 굴곡시키기 위해 구성되고, 이는 빔 라인의 분석기 자석에 의해 도입되는 굴곡과는 반대되는 의미인, 이온 주입 빔 라인.
  2. 제1항에 있어서, 자석의 질량 분산 평면에 수직인 평면에서 빔 집속을 제공하는 자석에 선행하는 이온 집속 시스템과 결합되는, 이온 주입 빔 라인.
  3. 제1항에 있어서, 집속 시스템은 이온 소스와 관련된 이온 추출 시스템의 렌즈 요소를 포함하는, 이온 주입 빔 라인.
  4. 제1항에 있어서, 분석기 자석의 자극 간격은 통과되도록 구성되는 최대 크기의 이온 빔의 대응하는 크기보다 넓고, 자극과 빔 경로의 면 사이에 흑연 또는 실리콘의 라이닝이 존재하는, 이온 주입 빔 라인.
  5. 제1항에 있어서, 자극 간격을 한정하는 자극 부재는 자극 간격 크기에 대해 작은 자극 폭의 사용을 가능하게 하는 방식으로 자기장을 형성하기 위해 빔 경로의 중앙 평면을 향해 자극 표면을 제각기 낮추거나 끌어 올리는 트렌치와 쐐기(shim) 형상의 자극면을 갖는, 이온 주입 빔 라인.
  6. 제1항에 있어서, 자극 간격을 한정하는 자극 부재는 비자성 물질의 진공 하우징의 벽에 내장되거나 밀봉되고, 이를 통해 이온 빔은 분석기 자석의 자기장에 종속되면서 통과하고, 자극 부재들간의 자석의 강자성 구조는 진공 하우징의 바깥쪽에 위치되는, 이온 주입 빔 라인.
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