KR20240089703A

KR20240089703A - 가변 무색도를 갖는 전하 필터 자석

Info

Publication number: KR20240089703A
Application number: KR1020247015897A
Authority: KR
Inventors: 윌헴 플라토우; 슈 사토; 네일 바솜
Original assignee: 액셀리스 테크놀러지스, 인크.
Priority date: 2021-10-29
Filing date: 2022-10-27
Publication date: 2024-06-20
Also published as: WO2023076492A1; TW202326802A; US20230139138A1; CN118103943A

Abstract

이온 주입 시스템(ion implantation system)은 이온 빔을 생성하는 이온 소스(ion source)와, 제1 하전 상태(charge state)에서 원하는 이온을 갖는 제 1 이온 빔을 규정하는 질량 분석기(mass analyzer)를 구비한다. 제1 선형 가속기(linear accelerator)는 상기 제1 이온 빔을 복수의 제1 에너지로 가속시킨다. 전하 스트리퍼(charge stripper)는 복수의 제2 하전 상태에서 제2 이온 빔을 규정하는 원하는 이온으로부터 전자를 스트리핑한다. 제1 쌍극자 자석(dipole magnet)은 공간적으로 분산되어 상기 제2 이온 빔을 제1 각도로 벤딩(bending)시킨다. 전하 규정 개구(charge defining aperture)는 복수의 제2 하전 상태의 나머지를 차단하면서 상기 제2 이온 빔의 원하는 하전 상태를 통과시킨다. 사중극자 장치(quadrupole apparatus)는 상기 제2 이온 빔을 공간적으로 집속하여 제3 이온 빔을 규정한다. 제2 쌍극자 자석은 제3 이온 빔을 제2 각도로 벤딩시킨다. 제2 선형 가속기는 상기 제3 이온 빔을 가속시킨다. 최종 에너지 자석은 제3 이온 빔을 제3 각도로 벤딩시키고, 에너지 규정 개구(energy defining aperture)는 원하는 에너지 및 하전 상태에서 원하는 이온만을 통과시킨다.

Description

가변 무색도를 갖는 전하 필터 자석

본 개시는 일반적으로 이온 주입 시스템(ion implantation system)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 원하는 하전 상태를 위해 고 에너지에서 작은 풋프린트(footprint) 및 증가된 이온 빔 전류(ion beam current)를 갖는 이온 주입 시스템에 관한 것이다.

반도체 소자의 제조에서, 불순물로 반도체를 도핑하기 위해 이온 주입이 사용된다. 이온 주입 시스템은 흔히 n-형 또는 p-형 재료 도핑을 생성하거나 집적 회로의 제조 중 패시베이션 층(passivation layers)을 형성하기 위해 반도체 웨이퍼와 같은 공작물(workpiece)을 이온 빔으로부터의 이온으로 도핑하는데 사용된다. 이러한 빔 처리는 흔히 미리 결정된 에너지 수준으로 및 제어된 농도로 특정 도펀트 재료의 불순물을 웨이퍼에 선택적으로 주입하여 집적 회로의 제조 중 반도체 재료를 생성하는데 사용된다. 반도체 웨이퍼를 도핑하는데 사용되는 경우, 상기 이온 주입 시스템은 선택된 이온종(ion species)을 상기 공작물에 주입하여 원하는 외인성 재료(extrinsic material)를 생성한다. 실리콘 웨이퍼에 이온을 주입할 때, 예를 들어 안티몬, 비소 또는 인과 같은 소스 재료(source material)로부터 생성된 이온은 'n-형' 외인성 재료 웨이퍼를 생성하는 반면, 'p-형' 외인성 재료 웨이퍼는 붕소, 갈륨 또는 인듐과 같은 소스 재료로부터 생성된 이온에서 생성되는 경우가 많다. 실리콘 카바이드(SiC) 웨이퍼에 이온을 주입할 때, 예를 들어 질소(n-도펀트) 및 알루미늄(p-도펀트)이 이온종으로서 통상적으로 사용되고 있다.

전형적인 이온 주입기는 이온 소스(ion source), 이온 추출 장치(ion extraction device), 후가속구간(post acceleration section)을 갖거나 갖지 않는, 질량 분석 장치(mass analysis device), 빔 수송 장치(beam transport device) 및 웨이퍼 가공 장치(wafer processing device)를 포함한다. 상기 이온 소스는 원하는 원자 또는 분자 도펀트 종의 이온을 생성한다. 이들 이온은 전형적으로는 상기 이온 소스로부터의 이온의 흐름에 에너지를 공급하고 지시하여 이온 빔을 형성하는 일련의 전극인 상기 이온 추출 장치에 의해 상기 이온 소스로부터 추출된다. 원하는 이온은, 전형적으로는 상기 추출된 이온 빔의 질량 분산 또는 분리를 수행하는 자기 쌍극자(magnetic dipole)인, 상기 질량 분석 장치에서 상기 이온 빔으로부터 분리된다. 전형적으로는 일련의 집속(focusing) 및 가속/감속 장치를 포함하는 진공 시스템인, 상기 빔 수송 장치는 상기 이온 빔의 원하는 특성을 유지하면서 상기 분석된 이온 빔을 웨이퍼 가공 장치로 수송한다. 마지막으로, 반도체 웨이퍼는 피처리 웨이퍼를 상기 분석된 이온 빔의 전방에 위치시키고 상기 이온 주입기로부터 처리된 웨이퍼를 제거하기 위한, 하나 이상의 로봇 암(robotic arms)을 포함할 수 있는, 웨이퍼 취급 시스템(wafer handling system)을 통해 상기 웨이퍼 가공 장치의 안과 밖으로 이송된다.

본 개시는 이온 소스를 손상시키지 않는 충분한 빔 순도 및 더 높은 빔 전류를 제공하기 위해 고 에너지 레벨에서 이온 주입 레시피(ion implantation recipe)(예를 들어 이온 빔 에너지, 질량, 전하값(charge value), 빔 순도, 빔 전류 및/또는 주입의 총 선량 레벨)에 대한 상당한 요구가 있음을 인식한다. 이와 같이, 높은 빔 순도와 함께 높은 빔 전류를 제공하기 위한 다양한 시스템 또는 방법이 본원에 제공된다.

따라서, 본 발명은 본 발명의 일부 측면에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위하여 본 개시의 간략한 요약을 제시한다. 이러한 요약은 본 개시의 광범위한 개요가 아니다. 본 발명의 핵심적 또는 중요한 요소를 식별하거나 본 발명의 범위를 기술하고자 하는 것은 아니다. 그 목적은 본 개시의 일부 개념들을 나중에 제시되는 보다 상세한 설명에 대한 서문으로서 간략화된 형태로 제시하는 것이다.

본 개시의 측면은 이온을 공작물에 주입하기 위한 고 에너지 이온 주입 공정을 용이하게 한다. 하나의 예시적 측면에 따르면, 이온 빔을 형성하도록 구성된 이온 소스, 상기 이온 빔을 선택적으로 이송하도록 구성된 빔라인 어셈블리(beamline assembly), 및 이온을 공작물에 주입하기 위해 상기 이온 빔을 수용하하도록 구성된 엔드 스테이션(end station)을 갖는 이온 주입 시스템이 제공된다.

본 개시의 하나의 예시적 측면에 따르면, 상기 이온 소스는 빔라인을 따라 생성된 이온 빔을 규정하고, 질량 분석 자석은 상기 생성된 이온 빔을 질량 분석하여, 제1 하전 상태에서 원하는 이온을 포함하는 제1 이온 빔을 규정하도록 구성된다. 제1 가속 스테이지(acceleration stage)(예를 들어 제1 선형 가속기)는 상기 제1 이온 빔의 원하는 이온들을 복수의 제1 에너지로 가속시키고, 전하 스트리퍼(charge stripper)는 상기 제1 이온 빔의 원하는 이온들로부터 적어도 하나의 전자를 스트리핑(stripping)하도록 구성된다. 따라서, 복수의 제2 하전 상태(예를 들어 가우스 하전 상태 분포(Gaussian charge state distribution))에서 원하는 이온들을 포함하는 제2 이온 빔이 규정된다.

한 구체예에서, 제1 쌍극자 자석은 제2 이온 빔을 제1 소정 각도(predetermined angle)로 벤딩(bending)시켜서 상기 제2 이온 빔을 공간적으로 분산시키도록 더 구성된다. 전하 규정 개구(charge defining aperture)는 상기 복수의 제2 하전 상태로부터 선택된 원하는 하전 상태를 통과시키도록 구성되는 한편, 상기 복수의 제2 하전 상태의 나머지가 통과하는 것을 차단한다. 예를 들어 사중극자 자석(quadrupole magnet)은 또한 복수의 제1 에너지에서 및 원하는 하전 상태에서 원하는 이온을 포함하는 제3 이온 빔을 규정하기 위해 제2 이온 빔을 공간적으로 집속하도록 더 구성된다. 제2 쌍극자 자석은 상기 제3 이온 빔을 제2 소정 각도로 벤딩시키도록 더 구성된다.

제2 가속 스테이지(예를 들어 제2 선형 가속기)는 예를 들어 제3 이온 빔의 원하는 이온을 복수의 제2 에너지로 가속시키도록 구성된다. 에너지 규정 개구(energy defining aperture)를 포함하는 최종 에너지 자석(final energy magnet)이 더 제공되되, 상기 최종 에너지 자석은 제3 이온 빔을 제3 소정 각도로 벤딩시키도록 구성된다. 상기 에너지 규정 개구는, 예를 들어, 그를 통해 원하는 에너지에서 원하는 이온만을 통과시켜서 상기 원하는 에너지 및 원하는 하전 상태에서 상기 원하는 이온을 포함하는 최종 이온 빔을 규정한도록 구성된다.

한 구체예에서, 상기 제1 소정 각도 및 제2 소정 각도는 대략 45도이다. 다른 구체예에서, 상기 제1 소정 각도와 제2 소정 각도의 합은 대략 90도이다. 또 다른 구체예에서, 상기 제3 소정 각도는 대략 90도이다

한 구체예에서, 상기 제1 소정 각도와 제2 소정 각도는 동일하되, 상기 제1 쌍극자 자석과 제2 쌍극자 자석은 일반적으로 서로 거울상(mirror image)이다. 한 구체예에서, 상기 제1 쌍극자 자석의 출구와 상기 제2 쌍극자 자석의 입구는 소정 이격 거리(predetermined separation distance)로 이격(separate)된다. 상기 사중극자 자석은 예를 들어 상기 제1 쌍극자 자석과 상기 제2 쌍극자 자석 사이에 상기 소정 이격 거리의 대략 절반에 위치할 수 있다. 상기 제1 소정 각도는 예를 들어 상기 제1 쌍극자 자석과 연관된 반경을 규정할 수 있으되, 상기 소정 이격 거리는 상기 반경의 대략 2배 미만이다.

상기 전하 규정 개구는 예를 들어 그를 통해 상기 복수의 제1 에너지 모두를 통과하는 것을 허용하도록 크기가 설정(sizing)되거나 또는 다른 방식으로 구성된다. 상기 전하 규정 개구는 예를 들어 상기 제2 이온 빔이 상기 사중극자 자석으로 들어가는 상기 사중극자 자석의 개구부에 의해 규정될 수 있다. 한 구체예에서, 상기 전하 규정 개구는 상기 빔라인을 따라 상기 제1 쌍극자 자석과 상기 사중극자 자석 사이에 위치된다. 상기 전하 규정 개구의 폭은 예를 들어 상기 복수의 제1 에너지의 소정의 분산만이 상기 사중극자 자석 내로 통과하는 것을 허용할 수 있다. 상기 전하 규정 개구의 폭은 예를 들어 가변적일 수 있다.

또 다른 구체예에서, 스캐너(scanner)가 제공되고 상기 스캐너는 제1 방향으로 상기 최종 이온 빔을 스캔하여, 스캔된 이온 빔을 규정하도록 구성된다. 평행화기(parallelizer)가 더 제공될 수 있으며 상기 평행화기는 상기 스캔된 이온 빔을 평행화시키고 이동(shift)시키도록 구성될 수 있다.

또 다른 구체예에 따르면, 상기 제1 가속 스테이지 및 상기 제2 가속 스테이지 중의 하나 이상은 가속 RF 필드(accelerating RF field)를 생성하도록 구성된 하나 이상의 공진기(resonator)를 포함하는 RF 가속기를 포함한다. 또 다른 구체예에서, 상기 제1 가속 스테이지 및 상기 제2 가속 스테이지 중의 하나 이상은 고정 DC 고전압(stationary DC high voltage)을 통해 상기 원하는 이온을 가속시키도록 구성된 DC 가속기를 포함한다. 따라서, 상기 제1 가속 스테이지 및 상기 제2 가속 스테이지는 DC 및 RF 가속기의 임의의 조합을 포함할 수 있다.

상기 요약은 단지 본 개시의 일부 구현예들의 일부 특징들의 간략한 개요를 제공하기 위한 것이며, 다른 구현예들은 위에서 언급된 것들과 다른 및/또는 추가적인 특징들을 포함할 수 있다. 특히, 이러한 요약은 본원의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 따라서, 전술한 및 관련된 목적을 달성하기 위하여, 본 개시는 이하에서 기술되고 청구범위에서 특정하여 언급된 특징을 포함한다. 하기 설명 및 첨부된 도면은 본 개시의 특정한 예시적 구현예를 상세하게 설명한다. 그러나 이러한 구현예들은 본 개시의 원리가 채용될 수 있는 다양한 방식들 중 몇 가지를 가리키는 것이다. 본 개시의 다른 목적, 장점 및 신규한 특징들은 도면과 함께 고려될 때 본 개시의 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 본 개시의 한 측면에 따른 이온 주입 시스템을 도시한 단순화된 평면도이다.
도 2는 본 개시의 적어도 한 측면에 따른 이온 주입 시스템의 전하 선택 장치(charge selector apparatus)이다.
도 3은 도 2의 전하 선택 장치의 사중극자 자석 및 전하 규정 개구를 도시한 것이다.
도 4는 본 개시의 적어도 또 다른 측면에 따른 이온 주입 시스템의 또 다른 전하 선택 장치를 도시한 것이다.

본 개시는 일반적으로 공작물로의 이온의 주입과 관련된 다양한 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 원하는 하전 상태를 위해 고 에너지에서 작은 풋프린트(footprint) 및 증가된 이온 빔 전류를 갖는 이온 주입 시스템에 관한 것이다.

따라서, 본 발명은 도면을 참조하여 설명될 것이며, 동일한 참조 번호는 전반에 걸쳐 동일한 구성요소를 지칭하는 것으로 사용될 수 있다. 이러한 측면의 설명은 단지 예시적인 것일 뿐, 제한적인 의미로 해석되어서는 안되는 것으로 이해되어야 한다. 하기 설명에서, 설명의 목적상, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위하여 다수의 구체적인 세부사항이 제시된다. 그러나, 이러한 구체적인 세부사항 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다. 또한, 본 발명의 범위는 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 설명되는 구현예 또는 실시예에 의해 제한되는 것이 아니라, 첨부된 청구항 및 그의 등가물에 의해서만 제한되는 것으로 의도된다.

또한, 도면은 본 개시의 실시예의 일부 측면을 예시하기 위해 제공된 것이며, 따라서 개략적인 것으로만 간주되어야 하는 것으로 인식되어야 한다. 특히, 도면에 도시된 요소는 반드시 서로 축척에 맞게 도시된 것은 아니며, 도면 내의 다양한 구성요소의 배치는 각각의 구현예의 명확한 이해를 제공하기 위하여 선택되는 것이며, 본 발명의 구현예에 따른 실시에서 다양한 구성요소의 실제 상대적인 위치를 반드시 나타내는 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 본원에서 설명되는 다양한 구현예 및 실시예의 특징은 특별히 달리 언급하지 않는 한, 서로 조합될 수 있다.

또한, 이하의 설명에서, 도면에 도시되거나 또는 본원에서 설명되는 기능적 블록, 장치, 구성요소 또는 다른 물리적 또는 기능적 유닛 사이의 임의의 직접적인 연결 또는 결합은 간접적인 연결 또는 연결에 의해서도 구현될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 도면에 도시된 기능적 블록 또는 유닛은 한 구현예에서 별개의 특징 또는 구성요소로서 실시될 수 있으며, 다른 구현예에서 공통된 특징 또는 구성요소 내에서 완전히 또는 부분적으로 실시될 수 있음을 이해하여야 한다.

이온 주입은 확산(diffusion)과는 반대되는 물리적 공정으로서, 반도체 공작물 및/또는 웨이퍼 재료에 도펀트를 선택적으로 주입하는 반도체 장치 제작에 사용되는 화학적 공정이다. 따라서, 주입 행위는 도펀트와 반도체 재료 사이의 화학적 상호작용에 의존하지 않는다. 이온 주입을 위해, 도펀트 원자/분자는 이온화되고 격리되며, 때때로 가속되거나 감속되어 빔으로 형성되고, 공작물 또는 웨이퍼를 가로질러 스위핑(sweeping)된다. 도펀트 이온은 물리적으로 공작물에 충돌하여(bombard) 표면으로 들어가고 전형적으로 공작물 표면 아래에 그의 결정 격자 구조(crystalline lattice structure)로 정착한다. 사토(Satoh)의 공동-소유된 미국 특허 제8,035,080호는 빔 전류를 증가시키기 위한 다양한 시스템 및 방법을 기술하고 있으며, 그 내용은 전체적으로 본원에 참고로 포함된다.

고-에너지 이온 주입 시스템(예를 들어 이미지 센서의 형성에 실시되는 것과 같이 1 MeV보다 큰 에너지로 이온을 주입하도록 구성된 시스템)은 크기가 매우 길다. 풋프린트를 최소화하고 클린룸 공간을 절약하기 위해, RF 선형 가속기(LINAC) 또는 DC 가속기 칼럼은 섹션으로 나누고 벤딩 자석(bending magnets)에 의해 분리될 수 있다. 상기 벤딩 자석은 예를 들어 이온 빔을 다양한 원하는 각도로 벤딩함으로써 빔라인을 보다 콤팩트(compact)하게 할 수 있다. 예를 들어 상기 빔라인은 V자 형상 또는 일반적으로 다각형의 체인일 수 있다.

단순한 시스템은 예를 들어 제1 및 제2 가속기 스테이지 또는 하나의 벤딩 자석에 의해 분리된 LINAC을 포함할 수 있다. 이러한 배치(arrangement)를 위해, 본 개시는 제1 가속 스테이지 이후에 소위 스트리퍼(stripper)를 추가하는 것이 유리할 수 있으되, 상기 스트리퍼는 상기 이온 빔의 이온으로부터 전자를 스트립핑(stripping)하도록 구성되고, 따라서 이온의 하전 상태를 증가시킨다. 이와 같이, 제2 가속 스테이지는 하전 상태와 동일한 인자만큼 에너지를 증가시킬 수 있다. 이러한 배치는 벤딩 자석이 없는 시스템에 비해 상기 시스템의 풋프린트를 실질적으로 감소시킬 수 있다.

상기 스트리퍼를 빠져나가는 이온 빔은 예를 들어 많은 다양한 하전 상태의 이온을 함유하되, 일부 바람직하지 않은 하전 상태는 이온 빔에 포함된다. 앞서 언급한 벤딩 자석에 의해, 상기 원하지 않는 하전 상태는 빔 경로로부터 분리될 수 있으므로, 상기 이온 빔의 오염을 방지할 수 있다. 그러나, 벤딩 자석으로 둘 이상의 LINAC을 분리할 때, 본 개시는 이온 빔이 또한 빔 전류를 유지하기 위해 벤딩 자석을 통해 수송되어야 하는 정도의 에너지 스프레드를 함유할 것이고, 그렇지 않으면 빔 전류가 실질적으로 낮아질 것임을 알 수 있다.

이러한 벤딩 자석은 에너지와 어느 정도는 무관하게 무색 시스템(achromatic system)으로 간주될 수 있다. 본 개시는 스트리퍼를 사이에 두고 제1 및 제2 LINAC을 분리하는 것과 관련된 하나의 문제는, 한편으로는 벤딩 자석이 원하지 않는 하전 상태를 걸러내야(filter out) 하고, 다른 한편으로는 벤딩 자석이 전형적으로 1-2%의 에너지 스프레드로 이온 빔을 수용하고 통과시키기 위해 실질적으로 무색(예를 들어 낮은 분산을 가짐)이어야 함을 알 수 있다.

따라서, 하나의 예시적인 측면에 따르면, 본 개시는 사이에 사중극자 자석을 갖는 2개의 쌍극자 자석을 사용하고, 그에 의해서 상기 사중극자 자석은 원하지 않는 하전 상태를 거부하면서 소정의 에너지 스프레드를 수용하도록 구성된 개구를 포함한다. 이와 같이, 본 개시의 구성은 실질적으로 작은 풋프린트를 유지하면서 전하를 걸러내도록 구성된 자석 아키텍처(magnet architecture)를 제공한다.

이제 도면을 참조하면, 본 개시의 더 나은 이해를 돕기 위해, 도 1은 본 개시의 다양한 예시된 측면에 따른 예시적인 이온 주입 시스템(100)을 도시한다. 이온 주입 시스템(100)은 예를 들어 후술하는 바와 같이 때때로 후속 가속 주입기(post acceleration implanter)로 언급될 수 있다.

도 1의 이온 주입 시스템(100)은 예를 들어 소스 챔버 어셈블리(source chamber assembly)(102)를 포함하며, 그에 의해 상기 소스 챔버 어셈블리는 이온 소스(104) 및 상기 이온 소스로부터 중간 에너지로 이온을 추출 및 가속하여 빔라인(110)을 따라 생성된 이온 빔(108)을 형성하는 추출 전극(106)을 포함한다. 질량 분석기(112)는 예를 들어 생성된 이온 빔(108)을 질량 분석하고, 그에 의해서 상기 생성된 이온 빔으로부터 원하지 않는 질량 및 전하 이온종을 제거하여 제1 하전 상태(q ₁ )에서 원하는 이온을 포함하는 제1 이온 빔(114)(분석된 이온 빔이라고도 함)을 규정한다. 제1 선형 가속기(116)(제1 LINAC라고도 함)는 예를 들어 제1 이온 빔(114)의 원하는 이온들을 복수의 제1 에너지로 가속하도록 구성된다. 본 개시의 한 구체예에 따르면, 제1 선형 가속기(116)는 RF 선형 입자 가속기를 포함하되, 여기서 이온은 RF 필드에 의해 반복적으로 가속된다. 대안으로, 제1 선형 가속기(116)는 DC 가속기(예를 들어 탠덤형 정전 가속기(tandem electrostatic accelerator))를 포함하되, 여기서 이온은 고정된 DC 고전압으로 가속된다.

전하 스트리퍼(118)가 예를 들어 더 구비되고 상기 전하 스트리퍼는 제1 이온 빔(114)의 원하는 이온으로부터 적어도 하나의 전자를 스트리핑하고, 그에 의해서 복수의 제2 하전 상태(q ₂ )에서 원하는 이온들을 포함하는 제2 이온 빔(120)을 규정하도록 더 구성된다. 본 개시에 따르면, 전하 선택부(122)는 예를 들어 스트리핑 공정 후에 더 높은 하전 상태를 갖는 원하는 이온들을 선택하기 위해 전하 스트리퍼(118)의 다운스트림에 추가로 위치된다.

전하 선택부(122)는 예를 들어 제1 쌍극자 자석(124)을 포함하되, 상기 제1 쌍극자 자석은 제2 이온 빔(120)을 제1 소정 각도(125)로 벤딩하여 제2 이온 빔을 공간적으로 분산시키도록 구성된다. 전하 규정 개구(126)는 제1 쌍극자 자석(124)의 다운스트림에 위치되되, 상기 전하 규정 개구는 복수의 제2 하전 상태로부터 선택된 제2 이온 빔(120)의 원하는 하전 상태를 통과시키면서 제2 이온 빔의 복수의 제2 하전 상태의 나머지를 통과시키지 못하도록 구성된다.

전하 선택부(122)는 예를 들어 사중극자 장치(128)(예를 들어 사중극자 자석)를 더 포함하되, 예를 들어 상기 사중극자 장치는 제2 이온 빔(120)을 공간적으로 집속하여 복수의 제1 에너지 및 원하는 하전 상태로 원하는 이온을 포함하는 제3 이온 빔(130)을 규정하도록 구성된다. 한 구체예에서, 전하 규정 개구(126)는 제2 이온 빔(120)이 사중극자 장치에 진입하는 사중극자 장치(128)의 개구부(131)에 의해 규정된다. 전하 선택부(122)의 제2 쌍극자 자석(132)은 제3 이온 빔(130)을 제2 소정 각도(133)로 벤딩시키도록 더 구성된다. 본 구체예에서, 제1 소정 각도(125)와 제2 소정 각도(133)의 합은 대략 90도이다. 예를 들어 제1 소정 각도(125)와 제2 소정 각도(133)는 대략 45도이다. 제1 소정 각도(125) 및 제2 소정 각도(133)의 예시적인 각도 값은 제한적인 것으로 간주되지 않아야 하며, 본 개시는 다양한 다른 각도 값을 본 개시의 범위 내에 속하는 것으로 고려한다는 점에 유의해야 한다.

제2 쌍극자 자석(132)을 빠져나가는 제3 이온 빔(130)은 추가로 예를 들어 최초-하전 상태 이온보다 높은 최대 에너지를 얻기 위해 제2 선형 가속기(134)에 관한 것일 수 있다. 예를 들어 제2 선형 가속기(134)는 제3 이온 빔(130)의 원하는 이온들을 복수의 제2 에너지로 가속시키도록 구성될 수 있다.

예를 들어 최종 에너지 자석(136)이 더 제공되되, 상기 최종 에너지 자석은 제3 이온 빔(130)을 제3 소정 각도(137)로 벤딩시키도록 구성된다. 예를 들어 제3 소정 각도(137)는 대략 90도이다. 최종 에너지 자석의 에너지 규정 개구(138)는 예를 들어 원하는 에너지로 원하는 이온만을 통과시키고, 그에 의해서 원하는 에너지 및 원하는 하전 상태에서 상기 원하는 이온을 포함하는 최종 이온 빔(140)을 규정하도록 구성된다. 따라서, 최종 에너지 자석(136)은 제2 선형 가속기(134)의 출력(output)으로부터 빠져나오는 가속된 제3 이온 빔(130)으로부터 원치 않는 에너지 스펙트럼을 제거하여 최종 이온 빔(140)을 규정하도록 구성된다.

빔 스캐너(142)가 예를 들어 더 제공될 수 있으며 상기 빔 스캐너는 최종 에너지 자석(136)으로부터 빠져나온 후 최종 이온 빔(140)을 스캔하도록 구성될 수 있으며, 그에 의해서 상기 최종 이온 빔은 빠른 주파수에서 앞뒤로 스캔되어 스캔된 이온 빔(144)을 규정한다. 빔 스캐너(142)는 예를 들어 최종 이온 빔(140)을 정전기적으로 또는 전자기적으로 스캔하여 스캔된 이온 빔(144)을 규정하도록 구성된다.

스캔된 이온 빔(144)은 추가로 각도 보정 렌즈(angle corrector lens)(146) 내로 통과하고, 그에 의해서 상기 각도 보정 렌즈(146)는 예를 들어 스캔된 이온 빔(144)을 평행화하고 이동시켜서 공작물 지지부(workpiece support)(152) 상에 지지된 공작물(150)로의 주입을 위한 평행화된 최종 이온 빔(148)을 규정하도록 구성될 수 있다. 각도 보정 렌즈(146)는 예를 들어 스캔된 이온 빔(144)을 이동시키고/시키거나 평행화하도록 구성된 전자기 또는 정전기 장치를 포함할 수 있다.

공작물(150)(예를 들어 반도체 웨이퍼)은 공정 챔버 또는 엔드 스테이션(154)에 선택적으로 위치될 수 있다. 한 구체예에서, 예를 들어 공작물(150)은 공작물(150)의 전체 표면을 균일하게 조사(irradiate)하기 위해 하이브리드 스캔 방식(hybrid scan scheme)으로 평행화된 최종 이온 빔(148)에 직교하여 이동될 수 있다(예를 들어 종이 안팎으로 이동). 본 개시는 공작물(150)에 대해 최종 이온 빔(140)을 스캔하기 위한 다양한 다른 메커니즘 및 방법을 인정하며, 이러한 모든 메커니즘 및 방법은 본 개시의 범위 내에 있는 것으로 고려된다는 점에 유의한다.

예를 들어 제어기(156)는 이온 소스(104), 질량 분석 자석(112), 제1 선형 가속기(116), 전하 선택(122), 제 2 선형 가속기(134), 빔 스캐너(142), 최종 에너지 자석(136), 및 공작물 지지부(152) 중의 하나 이상과 같은 이온 주입 시스템(100)의 하나 이상의 구성요소를 제어하도록 더 제공될 수 있다.

전술한 바와 같이, 이온 주입 시스템(100)은 전하 선택부(122)의 실질적인 무색 구성(achromatic configuration)에 적어도 부분적으로 기인하여 최소 풋프린트를 제공함으로써 종래의 시스템에 비해 유리하다. 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이, 90도의 벤드(bend)를 갖는 전하 선택부(202)의 구체예(200)가 도시되어 있다. 하나의 비제한적인 구체예에서, 이온 빔(204)(예를 들어 도 1의 전하 선택부(122)에 진입하는 제2 이온 빔(120))은 5%의 에너지 스프레드를 갖는 제1 쌍극자 자석(206)을 사중극자 장치(208)를 통과하고, 제2 쌍극자 자석(210)을 통해 빠져나가며, 그에 따라 일반적으로 무색 장치(achromatic apparatus)(212)를 규정한다. 무색 장치(212)는 예를 들어 전하 규정 개구(214)를 더 포함하되, 본 개시의 구체예에서, 제1 쌍극자 자석(206)과 제2 쌍극자 자석(210)은 서로 거울상이다. 하나의 구체예에서, 전하 규정 개구(214)는 사중극자 장치(208)의 개구부(215)에 의해 규정된다.

도 3은, 이온 빔(204)의 복수의 에너지 부분(218A, 218B, 218C)을 나타내는, 도 2의 무색 장치(212)의 사중극자 장치(208)의 확대도(216)를 도시하며, 이에 따라 이온 빔의 복수의 에너지 부분은 제1 쌍극자 자석(206)의 대응하는 복수의 자기 강성(magnetic rigidities) 및 분산 특성으로 인해 공간적으로 분리되거나 분산된다. 무색 장치(212)의 사중극자 장치(208)는 예를 들어 이온 빔(204)의 복수의 에너지 부분(218A, 218B, 218C)을 집속하여 도 2의 제2 쌍극자 자석(210)을 빠져나갈 때 복수의 에너지 부분이 공간적으로 분리되지 않게 함으로써, 원하는 무색도(achromaticity)를 제공한다. 이온 빔(204)의 복수의 에너지 부분(218A, 218B, 218C)을 수용하고 집속함으로써, 실질적으로 이온 빔의 소위 "에너지 스프레드(energy spread)" 모두가 제 2 쌍극자 자석(210)에 전달되며, 그에 따라 이온 빔 전류가 유리하게 유지된다.

도 3은 이온 빔(204)이 통과하는 전하 규정 개구(214)를 더 도시한다. 상기 전하 규정 개구(214)는 예를 들어 소정의 에너지 스프레드(예를 들어 ±2%)를 수용하고 통과시키기 위한 소정의 폭(222)을 갖는 개구부(opening)(220)를 포함한다. 하나의 구체예에서, 개구부(220)의 소정의 폭(222)은 특정한 주입에 요구되는 소정의 에너지 스프레드에 기초하여 변경될 수 있다. 또 다른 구체예에서, 전하 규정 개구(214)는 복수의 제1 에너지가 모두 통과시하도록 구성된다.

도 3에 도시된 사중극자 장치(208)는 자기 사중극자(magnetic quadrupole)(224)(예를 들어 사중극자 자석)로서 도시되어 있지만, 본 개시의 대안적인 측면에서, 상기 사중극자 장치는 정전 사중극자(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 도 3에 예시된 자기 사중극자(224)는 예를 들어 시스템과 연관된 소프트웨어가 자기 사중극자를 실행할 때 상이한 이온종들 사이에서 스위칭할 때 자기 및 정전 강성의 차이를 무시할 수 있으므로 이온 빔(204)의 조정을 위한 정전 사중극자에 비해 장점을 제공할 수 있다.

본 개시는 도 4를 참조로 하여 기술되는 바와 같이 종래 시스템에 비해 전하 필터링 장점을 더 제공한다. 예를 들어 전하 선택부(302)의 다른 구체예(300)는 도 2 및 도 3의 이온 빔(204)에 도시된 것과 동일한 치수 및 방사율을 갖는 이온 빔(304)(예를 들어 단일 에너지 이온 빔)을 제공한다. 그러나, 도 4의 이온 빔(304)은 상기 이온 빔이 제1 쌍극자 자석(308)에 진입하여 통과할 때 복수의 하전 상태(306A, 306B, 306C)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 비제한적인 구체예에서, 이온 빔(304)은 비소 이온 빔을 포함하되, 여기서 하전 상태(306A)는 As5+에 대응하고, 하전 상태(306B)는 As6+에 대응하며, 하전 상태(306C)는 As7+에 대응한다.

제1 쌍극자 자석(308)의 다양한 자기 강성 및 분산 특성으로 인해, 예를 들어 복수의 하전 상태(306A, 306B, 306C)는 제1 쌍극자 자석을 빠져나간 후에 공간적으로 분리된다. 개구(310)는 예를 들어 복수의 하전 상태 중의 선택된 하전 상태(예를 들어 하전 상태(306B) 또는 As6+)만이 상기 개구의 개구부(312)를 통과하여 사중극자 자석(314) 및 제2 쌍극자 자석(316)으로 통과시키는 한편, 복수의 하전 상태의 나머지를 필터링한다.

따라서, 상기 전하 선택부(302)는 전하 필터링을 제공하면서 사중극자 자석(314)을 통해 무색도를 제공하므로, 도 2의 이온 빔(204)의 복수의 에너지 부분(218A, 218B, 218C)과 관련된 소정의 에너지 스프레드를 통과할 뿐만 아니라, 원하지 않는 하전 상태를 거부하고 도 4의 개구(310)의 개구부(312)를 통해 복수의 하전 상태 중의 선택된 하전 상태를 선택적으로 통과시킨다. 따라서, 개구(310)는 예를 들어 원하지 않는 하전 상태를 거부할 뿐만 아니라, 도 2에 도시된 개구부(220)의 폭(222)을 변화시킴으로써 소정의 에너지 스프레드를 더 통과시킬 수 있어, 전하 선택부와 관련된 가변적인 무색도를 제공할 수 있기 때문에 다양한 목적으로 사용된다.

본 개시는 또한, 작은 풋프린트를 달성하기 위해, 도 4의 사중극자 창치(208)는 예를 들어 제1 쌍극자 자석(206) 및 제 2 쌍극자 자석(210)에 인접하게 제1 쌍극자 자석(206) 및 제2 쌍극자 자석의 벤딩 반경(bending radius)의 2배 미만의 위치에 위치될 수 있음을 인식한다. 이와 같이, 제1 및 제2 쌍극자 자석(206, 210)과 사중극자 장치(208)의 쌍극자 자기 효과와 관련된 프린지 필드(fringe field)는 이온 빔(204)의 복수의 에너지 부분(218A, 218B, 218C)의 궤적에 영향을 미칠 수 있다. 이와 같이, 사중극자 장치(208)는 예를 들어 이러한 궤적을 보상하고 이온 빔의 복수의 에너지 부분의 대부분을 유리하게 통과시키도록 위치할 수 있다.

예를 들어 예시적 균질한 쌍극자 자석에서, 자석을 통한 이온 빔(304)의 벤딩 반경(R)은 예를 들어 하기 수학식 (1):

이되, 여기서 m은 이온의 질량이고, E는 운동 에너지이며, B는 자기장이고, q는 이온의 전하이다. 하전 케이스(charge case) 및 에너지 케이스(energy case) 둘 다에 대한 벤딩 반경(dR/R)의 상대 변화를 계산하면 dR/R = -dq/q 및 dR/R = 0.5^*dE/E/E임을 나타내므로, 공간 분리가 에너지 케이스에서 대략 2배 더 작음을 나타낸다. 또한, 예를 들어 dE/E는 LINAC의 경우 대략 1-2%에 불과한 반면, 예를 들어 dq/q는 대략 17%일 수 있다. 이와 같이, 본 개시에 따르면 서로 다른 하전 상태에 대한 공간적 분리가 상당히 크게 제공되는 것이 유리하다. 또한, 상기 구체예는 90°의 총 벤딩 각도에 대한 것이지만, 더 작거나(예를 들어 70°) 큰 총 벤딩 각도(예를 들어 360°)에도 유사한 개념이 적용될 수 있는 것으로 이해될 수 있을 것이다.

또한, 본 개시는 사중극자 자석과 관련된 강철(steel)이 이온 빔의 쌍극자 프린지 필드에 영향을 미칠 수 있어, 제2 쌍극자를 빠져나가는 이온 빔이 너무 수렴하게 되는 것으로 여겨진다. 이러한 수렴(convergence)을 완화하기 위해, 본 개시의 사중극자 자석은 y1 치수(dimension)에서 약간 상쇄되어, 우수한 병렬성(예를 들어 dE = ±5%에 대해 ±0.06°)을 달성한다. 이와 같이, 본 개시의 한 구체예에 따르면, 종래 시스템보다 3배 이상 작은 1.23^*R의 쌍극자 거리가 사용될 수 있다.

또한, 본 개시는 시스템(100)의 작은 풋프린트를 유리하게 제공함으로써, 예를 들어 도 3 내지 도 4에 도시된 작은 벤딩 반경이 높은 자기장(예를 들어 1.5 테슬라 이상)을 사용할 수 있다.

본 개시는 특정한 응용(applications) 및 실시(implementations)와 관련하여 나타내고 기술되었지만, 본원 명세서 및 첨부된 도면의 독해 및 이해를 통해 당업자에 대한 균등한 변경 및 수정이 행해질 수 있는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 특히, 상기 구성요소(어셈블리, 장치, 회로, 시스템 등)에 의해 수행되는 다양한 기능과 관련하여, 이들 구성요소를 설명하기 위해 사용되는 용어("수단"에 대한 언급을 포함함)는 본원에 예시된 본 개시의 예시적인 실시들에서 기능을 수행하는 개시된 구조와 구조적으로 동등하지 않더라도, 달리 지시되지 않는 한, 전술한 구성요소들의 특정한 기능을 수행하는 임의의 구성요소(즉, 기능적으로 동등한 구성요소)에 상응하는 것으로 의도된다.

또한, 본 개시의 특정한 특징은 여러 실시들 중의 하나에 대해서만 개시되어 있을 수 있지만, 이러한 특징은 임의의 주어진 또는 특정한 적용에 바람직하고 유리할 수 있는 바와 같이 다른 실시들의 하나 이상의 다른 특징과 결합될 수 있다. 또한, "포함하다(includes)", "포함하는(including)", "갖다(has)", "갖는(having)"이라는 표현은 상세한 설명 또는 청구범위에서 사용되는 한, 이들 표현의 변형이 용어 "포함하는(comprising)"과 유사한 방식으로 포괄적인 것으로 의도된다.

Claims

이온 주입 시스템(ion implantation system)으로서,
이온을 발생시키고 빔라인(beamline)을 따라 발생된 이온 빔(ion beam)을 규정하도록 구성된 이온 소스(ion source);
상기 발생된 이온 빔을 질량 분석하여, 제1 하전 상태(charge state)에서 원하는 이온들을 포함하는 제1 이온 빔을 규정하도록 구성된 질량 분석 자석(mass analyzing magnet);
상기 제1 이온 빔의 상기 원하는 이온들을 복수의 제1 에너지로 가속하도록 구성된 제1 선형 가속기(linear accelerator);
상기 제1 이온 빔의 상기 원하는 이온들로부터 적어도 하나의 전자를 스트리핑(stripping)하여, 복수의 제2 하전 상태에서 상기 원하는 이온들을 포함하는 제2 이온 빔을 규정하도록 구성된 전하 스트리퍼(charge stripper);
상기 제2 이온 빔을 제1 소정 각도(predetermined angle)로 벤딩(bending)하여, 상기 제2 이온 빔을 공간적으로 분산시키도록 구성된 제1 쌍극자 자석(dipole magnet);
상기 복수의 제2 하전 상태로부터 선택된 상기 제2 이온 빔의 원하는 하전 상태를 그를 통해 통과시키면서, 상기 제2 이온 빔의 상기 복수의 제2 하전 상태의 나머지가 그를 통해 통과하는 것을 차단하도록 구성된, 전하 규정 개구(charge defining aperture);
상기 제2 이온 빔을 공간적으로 집속(focus)하여 상기 복수의 제1 에너지 및 상기 원하는 하전 상태에서 상기 원하는 이온들을 포함하는 제3 이온 빔을 규정하도록 구성된 사중극자 장치(quadrupole apparatus);
상기 제3 이온 빔을 제 2 소정 각도로 벤딩하도록 구성된 제2 쌍극자 자석;
상기 제3 이온 빔의 상기 원하는 이온들을 복수의 제2 에너지로 가속하도록 구성된 제2 선형 가속기; 및
에너지 규정 개구(energy defining aperture)를 포함하는 최종 에너지 자석(final energy magnet) - 상기 최종 에너지 자석은 상기 제3 이온 빔을 제3 소정 각도로 벤딩하도록 구성되고, 상기 에너지 규정 개구는 그를 통해 상기 원하는 이온들만을 원하는 에너지로 통과하여, 상기 원하는 이온들을 포함하는 최종 이온 빔을 상기 원하는 에너지 및 원하는 하전 상태에서 규정하도록 구성됨 - ;
을 포함하는, 이온 주입 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 소정 각도 및 상기 제2 소정 각도는 대략 45도인, 이온 주입 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제3 소정 각도는 대략 90도인, 이온 주입 시스템.
제1항에 있어서,
상기 전하 규정 개구는 그를 통해 상기 복수의 제1 에너지 모두를 통과시키는, 이온 주입 시스템.
제4항에 있어서,
상기 전하 규정 개구는 상기 제2 이온 빔이 상기 사중극자 장치에 진입하는 상기 사중극자 장치의 개구에 의해 규정되는, 이온 주입 시스템.
제1항에 있어서,
상기 전하 규정 개구는 상기 빔라인을 따라 상기 제1 쌍극자 자석과 상기 사중극자 장치 사이에 위치하는, 이온 주입 시스템.
제1항에 있어서,
상기 전하 규정 개구의 폭은 상기 복수의 제1 에너지의 소정의 분산만을 상기 4극 장치로 통과시키도록 허용하는, 이온 주입 시스템.
제7항에 있어서,
상기 전하 규정 개구의 폭은 가변적인, 이온 주입 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 소정 각도와 상기 제2 소정 각도의 합은 대략 90도인, 이온 주입 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 소정 각도와 상기 제2 소정 각도는 동일하고,
상기 제1 쌍극자 자석과 상기 제2 쌍극자 자석은 대체로 서로 거울상(mirror image)인, 이온 주입 시스템.
제10항에 있어서,
상기 제1 쌍극자 자석의 출구와 상기 제2 쌍극자 자석의 입구는 소정 이격 거리(predetermined separation distance)만큼 이격되고,
상기 사중극자 장치는 상기 소정 이격 거리의 대략 절반에서 상기 제1 쌍극자 자석과 상기 제2 쌍극자 자석 사이에 위치하는, 이온 주입 시스템.
제11항에 있어서,
상기 제1 소정 각도는 상기 제1 쌍극자 자석과 연관된 반경을 규정하고,
상기 소정 이격 거리는 상기 반경의 대략 2배 미만인, 이온 주입 시스템.
제1항에 있어서,
상기 최종 이온 빔을 제1 방향으로 스캔하여, 스캔된 이온 빔을 규정하도록 구성된 빔 스캐너(beam scanner); 및
상기 스캔된 이온 빔을 평행화(parallelize) 및 이동(shift)시키도록 구성된 각도 보정 렌즈(angle corrector lens);
를 더 포함하는, 이온 주입 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 선형 가속기 및 제2 선형 가속기 중의 하나 이상은 가속 RF 필드(accelerating RF field)를 생성하도록 구성된 하나 이상의 공진기(resonators)를 포함하는 RF 가속기를 포함하는, 이온 주입 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 선형 가속기 및 상기 제2 선형 가속기 중의 하나 이상은 고정 DC 고전압(stationary DC high voltage)을 통해 상기 원하는 이온들을 가속시키도록 구성된 DC 가속기들을 포함하는, 이온 주입 시스템.
제1항에 있어서,
상기 사중극자 장치는 자기 사중극자(magnetic quadrupole)를 포함하는, 이온 주입 시스템.
제1항에 있어서,
상기 사중극자 장치는 정전 사중극자(electrostatic quadrupole)를 포함하는, 이온 주입 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1쌍극자 자석과 상기 제2 쌍극자 자석은 서로 대칭으로 배치되는, 이온 주입 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 쌍극자 자석과 상기 제2 쌍극자 자석은 서로 비대칭으로 배치되는, 이온 주입 시스템.
이온 주입 시스템으로서,
이온들의 소스;
복수의 제1 에너지에서 상기 이온들을 포함하는 제1 이온 빔을 규정하도록 상기 이온들을 가속시키도록 구성된 제1 가속 스테이지(acceleration stage);
상기 제1 이온 빔의 상기 이온들로부터 적어도 하나의 전자를 스트리핑하여, 복수의 제2 하전 상태에서 상기 복수의 제1 에너지에서 상기 이온들을 포함하는 제2 이온 빔을 규정하도록 구성된 전하 스트리퍼;
상기 제2 이온 빔을 제1 소정 각도로 벤딩하여, 상기 제2 이온 빔을 공간적으로 분산시키도록 구성된 제1 쌍극자 자석;
상기 복수의 제2 하전 상태로부터 선택된 원하는 하전 상태에서 상기 이온들만을 통과시키도록 구성된 전하 규정 개구;
상기 제2 이온 빔을 공간적으로 집속하여 상기 복수의 제1 에너지 및 상기 원하는 하전 상태에서 상기 이온들을 포함하는 제3 이온 빔을 규정하도록 구성된 사중극자 장치;
상기 제3 이온 빔을 제2 소정 각도로 벤딩하도록 구성된 제2 쌍극자 자석;
상기 제3 이온 빔의 상기 이온들을 가속하여, 복수의 제2 에너지에서 상기 이온들을 포함하는 제4 이온 빔을 규정하도록 구성된 제2 선형 가속기; 및
에너지 규정 개구를 포함하는 최종 에너지 자석 - 상기 최종 에너지 자석은 상기 제4 이온 빔을 제3 소정 각도로 벤딩하도록 구성되고, 상기 에너지 규정 개구는 그를 통해 상기 이온들만을 상기 복수의 제2 에너지로부터 선택된 원하는 에너지로 통과하여, 상기 이온들을 포함하는 최종 이온 빔을 상기 원하는 에너지 및 원하는 하전 상태에서 규정하도록 구성됨 - ;
을 포함하는, 이온 주입 시스템.