KR20160003248A - 연장된 수명의 이온 소스 - Google Patents

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Abstract

이온 소스는, 이온 소스 챔버, 이온 소스 챔버 내에 배치되며 아크 플라즈마를 생성하기 위해 전자들을 방출하도록 구성된 캐소드, 및 전자들을 다시 아크 플라즈마 내로 반사시키기 위한 반사전극을 포함한다. 이온 소스 챔버 및 캐소드는 내화 금속을 포함할 수 있다. 이온 소스 챔버는, 할로겐 종을 이온 소스 챔버에 제공하도록 구성된 가스 소스를 더 포함한다. 반응성 삽입부는, 반응성 삽입부가 이온 소스 챔버 내에 배치되지 않을 때의 제 1 세트의 동작 조건들 하에서의 이온 소스 챔버 내의 내화 금속 재료의 제 2 에칭 레이트보다 더 작은 제 1 세트의 동작 조건들 하에서의 이온 소스 챔버 내의 내화 금속 재료의 제 1 에칭 레이트를 산출하기 위하여 할로겐 종과 상호동작할 수 있다.

Description

연장된 수명의 이온 소스{EXTENDED LIFETIME ION SOURCE}
실시예들은 이온 소스들에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 실시예들은 할로겐 종과 함께 사용하기 위한 개선된 수명의 이온 소스에 관한 것이다.
간접 가열식 캐소드(indirectly heated cathode; IHC) 이온 소스들과 같은 이온 소스들은, 반도체 기판들의 전기적 속성들을 제어하기 위하여 반도체 기판들 내로 주입을 위해 사용되는 도펀트 이온들을 포함하는 다양한 이온 종을 생성하기 위해 사용된다. 도펀트 이온들에 대한 다수의 전구체들은 이온 소스 내에 부식성 환경을 생성할 수 있는 불소와 같은 할로겐 종(BF3, B2F4, GeF4, PF3, SiF4 등)을 함유한다. 특히, IHC 이온 소스의 수명은 전형적으로 이온 소스의 캐소드 및 반사전극 컴포넌트들의 수명에 의해 제한된다. 동작 동안, 불소-함유 종과 같은 할로겐들에 노출되는 이온 소스의 부분들이 부식을 겪을 수 있다. 예를 들어, 이온 소스 컴포넌트들은 동작 동안 불소 종에 노출되는 텅스텐으로 적어도 부분적으로 구성될 수 있다. 이온 소스 내의 상대적으로 더 차가운 표면들로부터 텅스텐을 제거하고 핫(hot) 전극 표면들 또는 챔버 벽들과 같은 상대적으로 더 뜨거운 표면들 상에 텅스텐을 재증착(redeposit)하는 할로겐 사이클이 수립(establish)될 수 있다. 결과적으로, 텅스텐의 제어되지 않은 성장이 일부 전극 표면들 상에서 일어날 수 있으며, 이는 이온 소스의 동작 동안 글리칭(glitching)을 야기할 수 있다. 글리칭은, 이온 소스의 부드러운 동작이 이온 소스 내부에서 또는 이온 추출 시스템에서 일어나는 아크발생(arcing)에 의해 방해 받는 현상이다. 날카로운 텅스텐 돌출부들이 전극 표면 상에 성장될 때, 글리칭이 악화된다. 전기장이 돌출부들의 표면에서 몇 자릿수만큼 강화되기 때문에, 이러한 날카로운 돌출부들은 용이하게 단극성(unipolar) 또는 양극성(bipolar) 아크 방전들(아크 플라즈마들)을 생성할 수 있다. 또한, 재증착된 금속 재료의 불규칙한 성장이 진행함에 따라, 이러한 성장이 이온 소스의 챔버 벽들과 전극들 사이의 전기적인 단락을 야기할 수 있고, 이는 아크 동작을 불가능하게 만들 수 있다. 이러한 그리고 다른 고려사항들이 본 개선들이 요구되는 것에 관한 것이다.
실시예들은 이온 소스들의 수명을 연장하기 위한 개선된 이온 소스들 및 기술들을 포함한다. 일 실시예에 있어, 이온 소스는, 이온 소스 챔버, 이온 소스 챔버 내에 배치되며 아크 플라즈마를 생성하기 위해 전자들을 방출하도록 구성된 캐소드, 및 전자들을 다시 아크 플라즈마 내로 반사시키기 위한 반사전극을 포함한다. 이온 소스 챔버 및 캐소드는 내화 금속을 포함할 수 있다. 이온 소스 챔버는, 할로겐 종을 이온 소스 챔버에 제공하도록 구성된 가스 소스, 및 이온 소스 챔버 내에 배치된 반응성 삽입부(reactive insert)를 더 포함한다. 반응성 삽입부는, 반응성 삽입부가 이온 소스 챔버 내에 배치되지 않을 때의 제 1 세트의 동작 조건들 하에서의 이온 소스 챔버 내의 내화 금속 재료의 제 2 에칭 레이트(etch rate)보다 더 작은 제 1 세트의 동작 조건들 하에서의 이온 소스 챔버 내의 내화 금속 재료의 제 1 에칭 레이트를 산출하기 위하여 할로겐 종과 상호동작할 수 있다.
다른 실시예에 있어, 이온 소스를 동작시키기 위한 방법은, 할로겐 종을 이온 소스의 이온 소스 챔버에 제공하는 단계를 포함하며, 여기에서 이온 소스는 내화 금속을 포함한다. 방법은 또한, 이온 소스 챔버 내에 반응성 삽입부를 제공하는 단계로서, 반응성 삽입부는 하나 이상의 산물 종(product species)을 생성하도록 할로겐 종과 반응하도록 구성되는, 단계, 및 이온 소스 챔버 내의 반응성 종을 포함하는 아크 플라즈마를 생성하는 단계를 포함하며, 할로겐 가스와 반응성 삽입부는, 반응성 삽입부가 이온 소스 챔버 내에 배치되지 않았을 때의 제 1 세트의 동작 조건들 하에서 이온 소스 챔버 내의 내화 금속의 제 2 에칭 레이트보다 더 작은 제 1 세트의 동작 조건들 하에서의 이온 소스 챔버 내의 내화 금속의 제 1 에칭 레이트를 산출하기 위해 상호동작할 수 있다.
도 1a는 예시적인 이온 소스의 측면도를 도시한다.
도 1b는 도 1a의 이온 소스의 평면도를 도시한다.
도 2a는 하나의 세트의 조건들 하의 예시적인 이온 소스의 동작 동안 생성되는 종의 질량 스펙트럼을 도시한다.
도 2b는 다른 세트의 조건들 하의 도 2a의 예시적인 이온 소스의 동작 동안 생성되는 종의 다른 질량 스펙트럼을 도시한다.
도 2c는 도 2b의 세트의 조건들 하의 도 2a의 예시적인 이온 소스의 동작 동안 생성되는 종의 다른 질량 스펙트럼을 도시한다.
도 3은 추가적인 세트의 조건들 하의 예시적인 이온 소스의 동작 동안 생성되는 종의 다른 질량 스펙트럼을 도시한다.
이제 이하에서 본 발명이 일부 실시예들이 도시된 첨부된 도면들을 참조하여 더 완전하게 설명될 것이다. 그러나, 본 발명의 주제가 다수의 상이한 형태들로 구현될 수 있으며, 본원에서 기술되는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 오히려, 이러한 실시예들은 본 발명이 완전하고 철저해질 수 있도록 제공되며, 본 발명의 주제의 범위를 당업자들에게 완전하게 전달할 것이다. 도면들에서, 유사한 도면번호들이 전체에 걸쳐 유사한 엘러먼트를 지칭한다.
다양한 예시적인 실시예들에 있어, 이온 소스들은 이온 소스의 성능 및/또는 연장된 동작 수명을 개선하도록 구성된다. 본 실시예들에 따라 배열된 이온 소스들은 내화 금속 재료들로 구성되며 상승된 온도에서 동작하도록 설계되는 이러한 이온 소스들을 포함한다. 이러한 이온 소스들 중에서도, 캐소드가 약 2200℃와 같은 2000℃를 초과하는 온도에서 동작할 수 있는 간접 가열식 캐소드(IHC) 이온 소스들이 포함된다. 이온 소스들은, 적어도 부분적으로, 텅스텐, 몰리브덴, 또는 다른 내화 금속으로 구성될 수 있다. 동작 동안, 이온 소스 챔버 벽들과 같은 이온 소스의 다른 부분들은 500℃ 내지 약 1000℃의 범위, 및 특히 500℃ 내지 약 800℃ 사이의 범위 내의 온도들에 도달할 수 있다. 본 실시예들에 있어, 내화 금속으로 구성된 이온 소스에는, 아크 방전(아크 플라즈마)이 이온 소스 챔버 내에서 점화될 때 생성되는 에칭 종에 노출되는, 이온 소스 챔버 내에 위치되는 반응성 삽입부가 구비된다. 할로겐 가스 또는 할로겐 가스의 산물과 같은 할로겐 종, 할로겐 가스를 사용하는 이온 소스의 동작 동안, 반응성 삽입부는 이온 소스 챔버 내로부터의 내화 금속의 에칭을 감소시키기 위해 할로겐 종과 함께 상호동작한다. 본원에서 사용되는 바와 같은 용어 "할로겐 종"은 플라즈마 내에 생성될 수 있는 임의의 할로겐-함유 가스 화합물 및 그것의 유도체를 지칭한다. 이는 이온 소스 컴포넌트들의 부식을 감소시키는 유익한 효과뿐만 아니라, 에칭된 내화 금속의 재증착에 의해 초래되는 이온 소스의 핫 표면들 상의 내화 금속 재성장을 방지하는 유익한 효과를 갖는다. 결과적으로, 내화 금속 재성장의 감소는, 그렇지 않았다면 재성장된 내화 금속 증착물들에 의해 생성될 수 있었던 불안정성 및/또는 단락을 감소시키거나 또는 방지한다. 이하에서 상세화되는 바와 같이, 할로겐 종 및/또는 반응성 삽입부는 저 이온화 전위 가스 종을 생성하도록 상호동작할 수 있으며, 여기에서 이온화 전위는 약 11 eV 이하이다. 이는 아크 플라즈마 내의 전자 온도를 낮추고 암시적으로 플라즈마 전위를 낮추는 효과를 가지며, 그에 따라 아크 챔버 벽들의 전면에서 또는 아크 전극들의 전면에서 쉬스(sheath)들을 가로지르는 이온들의 충돌 에너지를 낮추는 것을 야기한다. 낮은 이온 에너지는 내화 금속 표면들의 감소된 이온 스퍼터링(sputter) 수율로 변환된다. 반응성 삽입부는 또한 할로겐 종과의 반응 산물들을 생성하기 위한 희생 재료로서 역할할 수 있으며, 그럼으로써 할로겐 종과 내화 금속 표면들의 반응을 감소시키고, 그 결과 이온 소스 동작 동안 이러한 표면들의 에칭 레이트가 반응성 삽입부가 없을 때의 에칭 레이트에 비하여 감소된다.
도 1a는 본 실시예에 부합하는 이온 소스(100)의 전반적인 특징들을 도시한다. 이온 소스(100)는, 캐소드(104), 반사전극(108), 및 추출 슬릿(113)을 갖는 추출 플레이트(112)를 하우징하는 이온 소스 챔버(102)를 포함하는 간접 가열식 캐소드(IHC) 이온 소스이다. 이온 소스(100)는 또한 캐소드(104)를 가열하기 위한 필라멘트(106)를 포함한다. 동작 시, 가스 종과 같은 종이 가스 주입구(111)를 통해 이온 소스 챔버(102)의 내부(114)로 가스 매니폴드(gas manifold)(110)에 의해 제공된다. 가스 매니폴드(110)는 이온 소스 챔버(102) 내에서 이온화될 수 있는 가스 종 또는 증기 형태로 공급 재료를 제공할 수 있다. 본 실시예들에 따르면, 적합한 공급 재료는, 붕소(B), 탄소(C), 인(P), 비소(As), 실리콘(Si), 수소(H), 및 불소(F)의 하나 이상의 가스 화합물들을 포함한다. 실시예들이 이러한 맥락으로 제한되지 않는다.
캐소드(104)가 가열되고, 전위 차(전압)가 이온 소스 챔버(102)와 캐소드(104) 및 반사전극(108) 사이에 인가될 때 아크 플라즈마(116)가 생성될 수 있으며, 여기에서 캐소드 및 반사전극은 동일한 전위로 유지된다. 이온 소스(100)는, 명료성을 위해 도시되지 않는 캐소드(104) 및 필라멘트(106)에 대한 전원 공급장치들을 포함하는 다양한 통상적인 컴포넌트들에 연결된다. 다양한 실시예들에 있어, 이온 소스 챔버 및, 캐소드(104) 및 반사전극(108)을 포함하는 그 안의 컴포넌트들은 텅스텐, 몰리브덴, 또는 다른 내화 금속으로 구성된다. 다양한 실시예들에 있어, 공급 재료가 할로겐 종의 형태로 공급될 수 있다. 예를 들어, 이온 소스(100)는, 이들의 각각이 할로겐-함유 전구체 종으로부터 얻어질 수 있는 B, P, As, Si, 또는 다른 종의 이온 주입을 위한 통상적인 빔라인 장치에서 이용될 수 있다. 이온 소스(100)에 의해 생성되는 이온들에 대한 전구체들로서 사용될 수 있는 할로겐 종의 예들은 다른 종들 중에서도 BF3, PF3, SiF4, B2F4, GeF4를 포함한다. 또한 할로겐 종은 다른 할로겐 종의 산물들을 포함한다. 예를 들어, BF3 가스가 이온 소스에 제공될 수 있으며, 다른 것들 중에서도 BF3 이온들, BF2 중성입자들, BF2 이온들, BF 중성입자들, BF 이온들, 및 F 중성입자들, F 양 이온들 및 음 이온들 및 다른 무거운 중성 라디칼들 또는 이온들 BxFy 모두가 부모 BF3 가스로부터 하나 이상의 프로세스들을 통해 생성될 수 있고 이들은 모두 할로겐 종인 것으로 간주된다. 실시예들이 이러한 맥락으로 제한되지 않는다.
도 1b에 추가로 예시된 바와 같이, 이온 소스(100)는 반응성 삽입부들(118)의 한 쌍을 포함한다. 도시된 실시예에 있어, 제 1 반응성 삽입부(118)는 이온 소스 챔버(102)의 제 1 영역(상부 부분)에 배치되며, 반면 제 2 반응성 삽입부는 이온 소스 챔버의 제 2 영역(하부 부분)에 배치된다. 다른 실시예들에 있어, 단일 반응성 삽입부 또는 3개 이상의 반응성 삽입부들이 이온 소스 내에 포함될 수 있다. 특히, 다른 실시예들에 있어, 반응성 삽입부들의 한 쌍이 도 1b의 관점으로부터 보여지는 바와 같이 이온 소스 챔버(102)의 개별적인 좌측 영역 및 우측 영역에 위치될 수 있다. 이하에서 상세화되는 바와 같이, 반응성 삽입부들(118)은 이온 소스 챔버(102) 내의 내화 금속 재료의 에칭 또는 부식을 제한하기 위하여 할로겐 함유 종과 반응하도록 구성된다. 캐소드(104) 및 반사전극(108) 둘 모두가 내화 재료로 구성되기 때문에, 이러한 감소된 부식은 이들 둘 모두의 수명을 증가시키고, 이는 이온 소스 수명을 개선한다.
텅스텐으로 구성된 IHC 이온 소스의 경우에 있어, 본 발명자들은 반응성 삽입부들(118)에 대해 사용되는 재료들 및 이온 소스 챔버(102)에 공급되는 할로겐 종의 특정 조합들이 텅스텐 부식을 감소시키는데 있어 특히 효과적이라는 것을 발견하였다. 통상적인 동작 시, 소위 할로겐 사이클은 불소 종과 같은 할로겐 종의 존재 시 상대적으로 더 차가운 표면들로부터 텅스텐 원자들의 제거, 및 상대적으로 더 뜨거운 표면들 상의 그들의 재증착을 수반한다. 이온 소스(100)의 동작 동안 반응성 삽입부(118) 및 반응성 종의 조합을 제공함으로써, 아크 플라즈마(116)의 화학작용(chemistry) 및 에너지론(energetics)이 텅스텐 에칭을 감소시키는 방식으로 변경될 수 있다.
하나의 세트의 실험들에 있어, 단일 플레이트를 구성하는 α-알루미나("산화 알루미늄" 또는 "Al2O3") 삽입부가 상이한 불소화된 가스들을 사용하여 방전이 생성되는 텅스텐 IHC 이온 소스 챔버 내에 위치되었다. 구체적으로, 이온 소스 내의 아크 플라즈마는 65 시간 동안 동작되었으며 그 동안 NF3이 이온 소스 챔버로 공급되었다. 동작 후, 캐소드의 표면 상의 1-2 cm 두께의 텅스텐 증착물을 포함하여 실질적인 텅스텐 증착물들이 이온 소스 챔버의 도처에서 관찰되었다. 구체적으로, 일 예로서, NF3이 이온 소스 챔버에 공급되면서 이온 소스 내의 아크 플라즈마가 65 시간 동안 동작되었다. 동작 후, 캐소드 및 반사전극의 표면들 상의 약 1-3 mm 두께의 증착물을 포함하여 실질적인 텅스텐 증착물들이 이온 소스 챔버의 도처에서 관찰되었다. 두 번째 예에 있어, 이온 소스 내의 아크 플라즈마는 BF3가 이온 소스 챔버에 공급되는 준-동일(quasi-identical) 동작 조건들 하에서 120 시간 동안 동작되었다. 동작 후, 약간의 텅스텐 재증착물이 관찰되었다.
추가적인 실험들에 있어, NF3 및 BF3 둘 모두를 기반으로 하는 아크 플라즈마들을 사용하여 이온 소스의 동작 동안 추출되는 이온 빔들의 질량 스펙트럼들이 수집되고 비교되었다. 도 2a는 2.1 sccm의 NF3 및 0.4 sccm의 H2가 공급될 때 IHC 이온 소스로부터 추출되는 이온들의 질량 스펙트럼(200)을 예시한다. 이온 전류를 이온 질량/전하의 비율의 함수로서 플롯팅하는 질량 스펙트럼은 라벨링된 바와 같은 복수의 피크(peak)들에 의해 특징지어 진다. 이들은 알루미늄 종 및 NF3 전구체 종으로부터 얻어지는 부산물 종을 포함한다. 구체적으로, 스펙트럼 영역(202)은 그 질량/전하 비율이 약 27 amu인 단일 대전된 알루미늄 Al+에 기인하는 약 4 mA의 전류를 나타내는 피크를 포함한다. 질량 스펙트럼(200)은 또한 각기 AlF2+ 및 AlF+를 나타내는 피크(204) 및 피크(205)를 포함하며, 이들은 Al2O3 삽입부와 NF3로부터 얻어지는 불소 종의 반응의 결과로서 형성될 수 있다. 그 피크 전류가 약 1 mA이며 W2+에 기인하는 넓은 피크(206)(6개의 동위원소들의 콘볼루션(convolution)인)가 또한 질량 스펙트럼(200) 내에 존재한다. 이러한 결과들은, 65 시간의 동작 후 캐소드 상의 많은 양의 재증착된 텅스텐의 관찰과 함께, 2.1 sccm의 NF3 및 0.4 sccm의 H2의 가스 흐름 조건들 하에서 실질적인 양의 텅스텐 원소 종이 이온 소스 방전에서 생성된다는 것을 나타낸다.
이와 대조적으로, 도 2b는 2.3 sccm의 BF3가 이온 소스 챔버에 제공될 때 IHC 이온 소스로부터 추출된 이온들로부터 수집된 질량 스펙트럼(210)을 예시한다. 도 2a에서 관찰된 결과들과 유사하게, 스펙트럼 영역(212)은 그 질량/전하 비율이 약 27 amu인 단일 대전된 알루미늄 Al+에 기인하는 약 4.5 mA의 전류를 나타내는 피크를 포함한다. 그러나, 질량 스펙트럼(210)은 W2+에 기인하는 영역(214) 내의 매우 작은 피크를 보인다. 또한, 도 2c에 도시된 바와 같이, 200 amu/전하에 이르도록 확장된 질량 스펙트럼(220)이 수집될 때, 피크들(222 및 224)은 각기 Al+ 피크에 대하여 매우 작은 W2+ 및 W+를 나타낸다. 이러한 결과들은, 알루미나 삽입부가 존재하는 상태에서 2.3 sccm의 BF3의 가스 흐름 조건들 하에서의 이온 소스의 동작이 2.1 sccm의 NF3/0.1 sccm의 H2의 가스 흐름 하에서의 이온 소스의 동작에 비하여 이온 소스 방전에서 텅스텐의 감소된 에칭 레이트를 실질적으로 야기한다는 것을 나타낸다.
이러한 결과들은, 아크 플라즈마가 이온 소스 내에서 점화될 때 이루어지는 원소의 프로세스들의 에너지론을 고려함으로써 설명될 수 있다. BF3 기반 플라즈마와 NF3 기반 플라즈마 사이의 변화가 주어진 세트의 동작 조건들에 대하여 플라즈마 밀도의 실질적인 변화를 야기한다는 것이 관찰된다. 이는 플라즈마 전위의 실질적인 변화를 야기할 수 있으며, 챔버 벽들, 반사전극, 캐소드, 및 페이스 플레이트(face plate)를 포함하는 이온 소스 챔버의 표면들에 충돌하는 이온 종의 운동 에너지의 암시적인 변화를 야기할 수 있다. 구체적으로, 아크 플라즈마 내의 플라즈마의 형성은 챔버 및 전극 전위들에 대한 플라즈마 전위와 플라즈마 내의 전하 밀도 사이의 균형을 수반한다. 특히, 플라즈마는 전기적으로 준-중성이며, 이는 이온들의 수가 전자들의 수와 동일하다는 것을 의미한다. 플라즈마 밀도가 상대적으로 낮을 때, 플라즈마 플룸(plume)(아크 플라즈마)과 캐소드 전위(소위 "캐소드성 폴(cathodic fall)") 사이의 전위차가 상대적으로 높다. 플라즈마 밀도가 감소함에 따라, 캐소드성 폴이 더 커지도록 조정되며, 그럼으로써 플라즈마 플룸을 떠나는 이온들의 더 큰 운동 에너지를 야기한다. 이러한 사실은 이온 충돌 하에서 캐소드로부터의 더 높은 2차 전자 방출을 야기한다. 결과적으로 증가된 전자 방출은 플라즈마가 동적 평형을 유지하는 것을 가능하게 한다. 플라즈마 밀도가 상대적으로 높은 경우, 캐소드성 폴이 상대적으로 작아진다. 이러한 경우에 있어, 평형을 유지하기 위하여, 플라즈마로부터 캐소드로 가속되는 이온들에 부여되는 더 작은 이온 에너지는 캐소드에 충돌하는 더 많은 수의 이온들에 의해 보상된다.
BF3 플라즈마와 NF3 플라즈마 사이의 플라즈마 속성들의 변화는 적어도 부분적으로, NF3 플라즈마와 반대되는 BF3 플라즈마 내의 생성된 종의 이온화 전위들의 차이에 의해 설명될 수 있다. 표 1은 BF3 플라즈마 및 NF3 플라즈마 내의 관심 있는 몇몇 종의 이온화 에너지를 예시한다. 달리 언급되지 않는 한, 본원에서 사용되는 용어 "이온화 에너지"는 제 1 이온화 에너지를 지칭한다. BF3 플라즈마에서, BF 분자들은 다른 종들 중에서도 BF2, BF, 및 B로 해리될 수 있다. 표 1에 예시된 바와 같이, 이러한 해리 산물 종의 각각은 8-11 eV의 범위 내의 이온화 에너지를 가지며, 이는 실질적으로 F(17.42 eV), N(14.71 eV) 및 N2(15.75 eV)를 포함하는 NF3 플라즈마의 해리 산물들에 대한 이온화 에너지보다 더 낮다. 이온화 단면적(ionization cross-section)들이 단지 약간만 상이하다는 사실이 주어지면, 이는 NF3 기반 플라즈마로부터의 해리 산물들에 비하여 BF3로부터의 붕소 해리 산물들에 대한 더 높은 이온화 레이트 계수를 야기한다. 이는 Al2O3 삽입부를 사용하는 IHC 이온 소스 동작 동안의 측정들에 의해 확인되며, 여기에서, 전체적으로 동일한 인가되는 방전 파워에 대하여, ~ 25 mA의 전류가 BF3 기반 플라즈마에 대해 생성되고, 단지 ~16 mA의 전류만이 NF3 기반 플라즈마에 대해 생성된다. 더 높은 플라즈마 밀도는 더 작은 플라즈마 전위를 야기하며, 결과적으로 이온들이 플라즈마로부터 가속되며 이온 소스 챔버 내의 표면들에 충돌할 때 플라즈마 플룸과 이온 소스 챔버 표면들 사이의 더 작은 전위차를 야기하고, 이는 이온 소스 챔버의 금속 표면들에 충돌하는 이온들의 더 낮은 이온 에너지로 변환된다. 따라서, 관찰되는 바와 같이, 텅스텐과 같은 재료의 더 적은 스퍼터링이 BF3 기반 플라즈마 내에서 예상될 수 있다.
종 이온화 에너지(eV)
B 8.29
BF2 9.40
BF 11.12
BF3 15.70
F 17.42
N 14.71
N2 15.75
표 1. 다양한 종의 이온화 에너지
아크 플라즈마가 NF3 기반 플라즈마 또는 BF3 기반 플라즈마에 대해 점화될 때, 알루미나 삽입부 자체로부터 얻어지는 가스 종이 플라즈마 속성들을 조정하는데 기여할 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 예를 들어, 알루미늄 및 불화 알루미늄 산물들은 플라즈마들 내에서 생성되는 것으로 믿어지며, 여기에서 산화 알루미늄이 불소-함유 전구체들에 노출된다. 알루미늄 금속이 5.99 eV의 제 1 이온화 전위를 갖기 때문에, 알루미늄이 알루미나 삽입부로부터 에칭될 때 알루미나 삽입부로부터 생성된 알루미늄 종은 NF3 기반 플라즈마 또는 BF3 기반 플라즈마 내의 플라즈마 밀도를 증가시키는데 기여할 수 있다. 그러나, 해리 산물들에 대해 보여지는 이온화 문턱값들이 약 15 eV 또는 그 이상인 NF3 기반 플라즈마가 존재하는 상태에서, 알루미늄 종은 텅스텐 금속 스퍼터링이 억제되는 지점으로 이온 에너지를 감소시키는 정도까지 플라즈마 밀도를 증가시키는데 충분히 기여하지 않는다. 반면, 이들의 둘 모두가 11 eV 미만의 이온화 에너지들을 갖는 종을 산출하는 알루미나 삽입부 및 BF3의 조합은 충분히 높은 플라즈마 밀도를 생성하고 그에 따라 이온 소스 챔버 내에서 텅스텐의 스퍼터링을 억제하기 위한 더 낮은 이온 충돌 에너지를 생성하기에 충분하다.
추가적인 실시예들에 있어, 반응성 삽입부들(118)은 고체 실리콘으로 만들어질 수 있다. 이온 소스(100)의 동작 동안, 고체 실리콘이 불소화된 가스들 또는 불소 라디칼들에 의해 우선적으로 에칭되는 희생 재료로서 역할할 수 있으며, 그에 따라 이온 소스 챔버(102)의 텅스텐 또는 몰리브덴 표면들의 에칭 및 증착을 방해한다. 일 실시예에 있어, 반응성 삽입부들(118)은 고체 실리콘 삽입부들로 구성되며, BF3 가스가 이온 소스 챔버(102)에 제공된다. 불소 및 불소화된 가스들은, 이들의 각각이 이온 소스 챔버(102)의 전형적인 동작 온도들에서 가스 상(gas phase) 종인 SiF2 및 SiF4와 같은 실리콘 불화물들을 생성하기 위해 실리콘과 용이하게 반응할 수 있다. 이러한 SiF2 및 SiF4 산물들은 따라서 동작 동안 이온 소스 챔버(102) 밖으로 용이하게 펌핑될 수 있다. 반응성 삽입부들(118) 내의 실리콘의 존재가 텅스텐 재료의 에칭을 방해하지만, 이온 소스 챔버(102) 내의 텅스텐 표면들과 같은 노출된 표면들은 계속해서 어느 정도 불소 함유 가스 종과 반응할 수 있으며, 이는 텅스텐 불화물들을 산출한다. 텅스텐 불화물들은, 결과적으로, 텅스텐 불화물들을 텅스텐 금속으로 환원하면서 실리콘 불화물들을 생성하기 위해 반응성 (실리콘) 삽입부(118)와 반응할 수 있다. 반응성 삽입부들(118)이 이온 소스(100)의 동작 동안 아크 플라즈마(116)에 노출되는 실리콘 표면을 제공하기 때문에, 방전(116)으로부터의 이온들에 의한 Si 표면의 스퍼터링은 텅스텐의 패시베이팅(passivating) 층이 반응성 삽입부들(118) 상에 형성되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 실리콘 삽입부들로 구성될 때 반응성 삽입부들(118)은 이온 소스 챔버(102) 내의 표면들로부터의 텅스텐 또는 다른 내화 금속의 에칭을 감소시키는 에칭가능한 실리콘의 연속적인 공급을 제공한다. 따라서, BF3와 같은 가스와 함께 반응성 삽입부들(118)에 대한 실리콘 재료의 사용은 이온 소스 챔버(102) 내의 캐소드(104), 반사전극(108) 및 다른 어느 곳 상의 내화 금속의 에칭 및 재증착을 감소시키는데 효과적이다.
반응성 실리콘 삽입부를 이용하여 이온 소스를 동작시키는 것의 효과를 평가하기 위하여, 고체 실리콘 삽입부가 존재하는 상태에서의 그리고 존재하지 않는 상태에서의 동작 동안 IHC 이온 소스로부터 질량 스펙트럼이 수집되는 한 세트의 실험들이 수행되었다. 도 3은 실리콘 삽입부를 갖는 IHC 이온 소스 동작 동안 수집된 질량 스펙트럼(302)(실선) 및 실리콘 삽입부가 없는 상태의 IHC 이온 소스 동작 동안 수집된 질량 스펙트럼(304)(점선)을 포함하는 실험들의 결과들을 나타낸다. 각각의 질량 스펙트럼은 이상에서 설명된 바와 같은 상이한 질량/전하 비율들을 나타내는 일련의 피크들을 포함한다. 구체적으로, 질량 스펙트럼(302)는 도시된 바와 같이 실리콘 이온들 또는 실리콘 불화물을 나타내는 몇몇 피크들(306, 308, 310, 312, 314, 316)을 포함한다. 이들의 각각은 질량 스펙트럼(304) 내에는 존재하지 않으며, 이는 피크들(306-316)이 실리콘 삽입부의 존재에 의해 생성되었다는 것을 나타낸다. 다른 붕소, 불소, 및 붕소 불화물 피크들은 질량 스펙트럼(302) 및 질량 스펙트럼(304) 둘 모두에 대해 공통적이며, BF3 가스로부터 얻어지는 산물 이온 종을 나타낸다. 또한, 질량 스펙트럼(304)은 질량 스펙트럼(302)에 존재하지 않는(또는 크게 감소된) 피크(318)를 포함한다. 피크(318)는 W2+에 할당될 수 있으며, 그럼으로써 실리콘 삽입부들이 부존재할 때 아크 플라즈마 내의 실질적인 텅스텐 종의 존재를 나타낸다. 질량 스펙트럼(302)에서 약 92 amu의 질량/전하 비율에서의 W2+ 피크의 감소는, 실리콘 삽입부들을 사용함으로써 할로겐 사이클이 실질적으로 억제된다는 것을 나타낸다. 실리콘이 반응성 삽입부로서 사용되는 실시예들의 이점은 이온 소스의 금속 표면들의 에칭을 감소시키는 것에 더하여, 어떠한 추가적인 금속 종이 실리콘 삽입부들로부터 아크 플라즈마 내로 도입되지 않는다는 사실을 포함한다. 이에 더하여, 이온 소스가 실리콘을 주입하기 위하여 사용될 애플리케이션들에 있어, 희생 실리콘 삽입부의 존재는 아크 플라즈마 내에서 이온화되는 가스상 실리콘의 공급을 증가시키고 그럼으로써 주어진 파워 레벨에서 이온 소스로부터 추출될 수 있는 실리콘 빔 전류를 증가시킨다.
본 실시예들에 있어, 이온 소스 챔버 내의 내화 금속 표면들의 에칭을 억제하는데 효과적인 반응성 삽입부들은 이온 소스 챔버의 상대적으로 작은 부분만의 점유를 필요로 한다는 것을 주목해야 한다. 일부 실시예들에 있어, 반응성 삽입부 또는 삽입부들은 이온 소스 챔버의 내부 벽들, 캐소드, 및 반사전극의 표면적을 포함하는 표면적 A2의 일 부분인 표면적 A1을 가질 수 있다. 일부 경우들에 있어, A1/A2는 약 0.01 대 0.2와 동일하다. 따라서, 그 표면적이 내화 금속 표면들에 의해 제공되는 표면적의 이러한 적당한 부분을 구성하는 반응성 삽입부 또는 삽입부들은 이온 소스의 다른 컴포넌트들의 실질적인 재설계를 필요로 하지 않는다.
본 발명은 본원에서 설명된 특정 실시예에 의해 범위가 제한되지 않는다. 오히려, 본원에서 설명된 실시예들에 더하여, 본 발명의 다른 다양한 실시예들 및 이에 대한 수정예들이 이상의 설명 및 첨부된 도면들로부터 당업자들에게 자명해질 것이다. 따라서, 이러한 다른 실시예들 및 수정예들이 본 발명의 범위 내에 속하도록 의도된다. 추가로, 본 발명이 본원에서 특정 목적을 위한 특정 환경에서의 특정 구현예의 맥락에서 설명되었지만, 당업자들은 이의 유용함이 이에 한정되지 않으며, 본 발명이 임의의 수의 목적들을 위한 임의의 수의 환경들에서 유익하게 구현될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 본 발명의 내용은 본원에서 설명된 바와 같은 본 발명의 완전한 폭과 사상의 관점에서 해석되어야만 한다.

Claims (15)

  1. 이온 소스로서,
    이온 소스 챔버;
    상기 이온 소스 챔버 내에 배치되며 상기 이온 소스 챔버 내에서 아크 플라즈마를 생성하기 위해 전자들을 방출하도록 구성된 캐소드로서, 상기 이온 소스 챔버 및 상기 캐소드는 내화 금속을 포함하는, 상기 캐소드;
    전자들을 다시 상기 아크 플라즈마 내로 반사시키도록 구성된 반사전극; 및
    상기 이온 소스 챔버 내에 배치되는 반응성 삽입부로서, 상기 반응성 삽입부는, 상기 반응성 삽입부가 상기 이온 소스 챔버 내에 배치되지 않을 때의 제 1 세트의 동작 조건들 하에서의 상기 이온 소스 챔버 내의 상기 내화 금속 재료의 제 2 에칭 레이트(etch rate)보다 더 작은 상기 제 1 세트의 동작 조건들 하에서의 상기 이온 소스 챔버 내의 상기 내화 금속의 제 1 에칭 레이트를 산출하기 위하여 상기 이온 소스 챔버 내로 도입되는 할로겐 종과 상호동작할 수 있는, 상기 반응성 삽입부를 포함하는, 이온 소스.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응성 삽입부는 산화 알루미늄을 포함하는, 이온 소스.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응성 삽입부는 실리콘을 포함하는, 이온 소스.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 할로겐 종은 BF3을 포함하는, 이온 소스.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응성 삽입부는 상기 이온 소스 챔버의 제 1 영역 내에 배치된 제 1 반응성 삽입부이며, 상기 이온 소스는 상기 이온 소스 챔버의 제 2 영역에 배치된 제 2 반응성 삽입부를 더 포함하는, 이온 소스.
  6. 청구항 1에 있어서,
    캐소드 및 상기 반사전극은 상기 이온 소스 챔버의 대향 측들 상에 배치되며, 상기 반응성 삽입부는 상기 캐소드와 상기 반사전극 사이에 배치되는, 이온 소스.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 할로겐 종은 약 11 eV 미만의 이온화 문턱값을 갖는 산물 종(product species)을 생성하도록 구성되는, 이온 소스.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 내화 금속은 텅스텐 또는 몰리브덴을 포함하는, 이온 소스.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사전극은 상기 캐소드에 대향하여 배치되며 내화 금속으로 구성되고, 상기 반사전극 및 캐소드는 캐소드 전위로 유지되는, 이온 소스.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 반응성 삽입부는 제 1 표면적 A1을 가지고, 상기 이온 소스 챔버의 내부 챔버 벽들, 캐소드 및 반사전극은 함께 제 2 표면적 A2를 가지며, A1/A2의 비율은 약 0.01 대 약 0.20과 동일한, 이온 소스.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 세트의 동작 조건들 동안 상기 캐소드의 온도는 약 2000℃ 이상이며, 상기 이온 소스 챔버의 벽의 온도는 500℃ 내지 800℃의 범위 내의 온도를 포함하는, 이온 소스.
  12. 이온 소스를 동작시키기 위한 방법으로서,
    할로겐 종을 내화 금속을 갖는 이온 소스 챔버에 제공하는 단계;
    상기 이온 소스 챔버 내에 반응성 삽입부를 제공하는 단계로서, 상기 반응성 삽입부는 하나 이상의 산물 종을 생성하기 위하여 상기 할로겐 종과 반응하도록 구성되는, 단계; 및
    상기 할로겐 종을 포함하는 아크 플라즈마를 상기 이온 소스 챔버 내에 생성하는 단계로서, 상기 할로겐 종 및 반응성 삽입부는, 상기 반응성 삽입부가 상기 이온 소스 챔버 내에 배치되지 않을 때의 제 1 세트의 동작 조건들 하에서의 상기 이온 소스 챔버 내의 상기 내화 금속 재료의 제 2 에칭 레이트보다 더 작은 상기 제 1 세트의 동작 조건들 하에서의 상기 이온 소스 챔버 내의 상기 내화 금속의 제 1 에칭 레이트를 산출하기 위하여 상호동작할 수 있는, 단계를 포함하는, 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    산화 알루미늄 삽입부로서 상기 반응성 삽입부를 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    실리콘 삽입부로서 상기 반응성 삽입부를 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  15. 청구항 12에 있어서,
    BF3으로서 상기 할로겐 종을 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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