이온 주입기 빔라인에서의 중성자 방사 방지 장치{MECHANISM FOR PREVENTION OF NEUTRON RADIATION IN ION IMPLANTER BEAMLINE} 관련 특허 출원 다음의 미합중국 특허출원, 즉, 2000년 11월 1일 출원되고, 출원번호가 제09/703759호이며, 발명의 명칭이 "Mechanism for Containment of Neutron Radiation in Ion Implanter Beamline"인 출원을 충분히 설명된 참조로서 여기에 포함한다.
이온 주입법은 집적회로의 대규모 제조에 있어서 반도체에 불순물을 도핑 (doping)하는 데에 사용하는, 산업계에서 선호하는 기술이 되었다. 기판에 깊게 이온을 주입하는(deep implantation) 경우에는 고-에너지(high energy) 이온 주입기를 사용한다. 이러한 깊은 이온 주입은, 예로서, 레트로그레이드 웰(retrograde well)을 형성하는 데에 필요하다. 이튼(Eaton)사의 GSD/HE 및 GSD/VHE 이온 주입기는 이러한 고-에너지 이온 주입기의 예이다. 이러한 이온 주입기는, 5MeV(millionelectron volts)까지의 에너지 레벨의 이온 빔을 형성할 수 있다. 본 발명의 양수인인 이튼사(Eaton Corporation)에 양도된, 미합중국 특허 제4,667,111호에는 이러한 고-에너지 이온 주입기가 기재되어 있다. 이온 주입기는 매우 높은 전압 레벨에서 동작한다. 통상적으로, 빔의 이온은 이온 주입기 내의, 상이한 전압 레벨의 전극 및 기타 구성 부분에 의해서 가속되고 감속된다. 예로서, 이온 소스로부터 양 이온이 추출되어서, 질량 분석 자석을 통과하여, 점차적으로 부(負)의 전위를 갖는 전극들에 의해서 가속된다. 고-에너지 이온 주입기에서, 이온 빔은 무선 주파수(RF) 선형 가속기(linac(라이낵); linear accelerator)를 통과할 때 가속된다. 이온 빔은, RF 전압의 주파수를 이온 빔 속도에 동기시켜서 가속장(加速場; accelerating field)이 생성되는 일련의 가속 스테이지(공진기 모듈)를 통과하여 RF 라이낵을 진행한다. 반도체에 불순물로서 자주 주입되는 두 가지 화학종(species)은 비소(As) 및 인(P)이다. 비소 및 인은, 이온화를 위해서 각각 담체(carrier) 가스로서, 수소(H)를 함유하는 아르신(AsH 3 ) 및 포스핀(PH 3 ) 가스로서 통상적으로 이온 소스에 주입된다. 이온화 챔버내에서의 이러한 가스의 이온화는 때때로 수소의 동위 원소인 소량의 중수소(deutrium)를 생성한다. 이온 소스로부터 추출되는 이온 빔은 때때로, 각각 양성자와 중성자를 포함하는 중수소 원자의 핵인, 소량의 중양성자(deuteron)를 생성한다. 따라서, 중양성자는 단위 양전하를 갖는 원자구성입자(subatomic particle)이다. 이온 소스로부터 추출된 중양성자는 이온 빔과 함께 질량 분석 자석으로 운반된다. 올바른 전하 대 질량 비를 갖는 주입 가능한 이온(예로서, As+, As++, P+ 및 P++)은 질량 분석 자석을 통과하고, 잘못된 전하 대 질량 비를 갖는 이온(예로서, 중양성자)은 질량 분석 자석의 내부 측벽에 충돌한다. 이 측벽의 내면은 탄소(C)의 6각 결정 동소체(同素體; allotrope)인, 흑연을 사용하여 통상적으로 구성된 충돌판이 붙여져 있다. 공지된 탄소의 동위 원소, C-11 내지 C-15 중, C-12 및 C-13은 모두 안정적이고 가장 풍부하다. C-12(또는 C12) 부호의 숫자 12는 양자(6개)와 중성자(6개)의 합을 나타낸다. 지상에서 발견된 탄소 동위 원소의 거의 99%가 C-12이다. C-13은 원자핵내에 7개의 중성자와 6개의 양성자를 가지고 있다. 모든 탄소 원자의 약 1.1%가 이 동위 원소로 되어 있다. 질량 분석 자석 충돌판을 구성하는 데에 사용되는 흑연은 일반적으로 탄소 C-12와 소량의 탄소 C-13 동위 원소 모두를 포함하고 있다. 그러나, 중양성자가 충돌판에 충돌하면, 입사하는 중양성자와, C-12와 C-13 복합 흑연 구조물이 관계되는 핵반응이 발생할 수도 있다. 이러한 핵반응으로 인하여 상당한 에너지(대략 5MeV)를 갖는 중성자를 방출할 수도 있다. 충돌판 표면으로부터의 이러한 중성자의 방사는 바람직하지 않다. 충돌판의 탄소 C-13 동위 원소와 중양성자와의 충돌에 의한 중성자 방사는 고-에너지 이온 주입기에서 특히 문제가 되며, 큰 빔 에너지는 중성자 방사의 발생을 증대시킨다. 따라서, 주입기 동작시 중성자 방사의 발생을 방지하거나 또는 최소화하는이온 주입기 빔라인을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다. 추가적인 목적은 이러한 빔라인을 개선된 질량 분석 자석 충돌판 형태로 구성하는 것이다.
본 발명은 일반적으로 이온 주입 시스템, 및 더욱 상세하게는, 이러한 시스템, 특히 고-에너지 이온 주입 시스템의 빔라인내에서의 중성자 방사의 발생을 방지하는 장치에 관한 것이다.
도 1은, 동작시 중성자 방사의 발생을 감소시키는, 본 발명에 의한 고-에너지 이온 주입기의 개략 블록도. 도 2는, 도 1에 블록 형태로 나타낸 질량 분석 자석 조립체의 내부 평면도. 도 3은, 도 2의 질량 분석 자석 조립체내에 포함된 충돌판의, 라인 3-3에서 본 단면도.
이온 주입기용 질량 분석 자석 조립체로서, (i) 이온 소스에 의한 이온 빔 출력을 질량 분석하고, 또한 이온 빔이 통과하는 내부 영역을 형성하는 자석과, (ii) 내부 영역의 외측 경계를 부분적으로 형성하는 최소한 하나의 충돌판을 포함하는 이온 주입기용 질량 분석 자석 조립체가 제공된다. 충돌판은 동위 원소적으로 순수한 탄소계 재료로 구성되어 있다. 바람직하게는 질량으로서 탄소 C-12가 99% 이상인, 동위 원소적으로 순수한 탄소계 재료는, 이온 소스로부터 추출된 중양성자가 충돌할 때, 중성자 방사를 방지한다. 충돌판은 하부의 기판 위에 위치한, 동위 원소적으로 순수한 탄소 C-12 동위 원소로 된 상층부를 포함할 수도 있다.
도 1에 고-에너지 이온 주입기(10)의 평단면도가 나와 있다. 본 발명은 여기에서는 고-에너지 이온 주입기의 질량 분석 자석 조립체에 포함되는 것으로 설명되어 있지만, 본 발명은 질량 분석 자석 조립체 이외의 이온 주입기 구성 부분, 및 고-에너지 이외의 이온 주입기 방식에 포함되는 것으로 이해하여야 한다. 이온 주입기(10)는, 이온 빔(15)을 생성하는 이온 소스(14)와 이온 빔을 질량 분석하는 질량 분석 자석 조립체(16)를 포함하는 분사기(injector)(12), 이온 빔을 더 높은 에너지가 되도록 가속하는 복수의 공진기 모듈(20a-20n)을 포함하는 무선 주파수(RF) 선형 가속기(라이낵)(18), 가속된 이온 빔의 최종 질량 분석을 실행하는 최종 에너지 자석(FEM; final energy magnet)(22), 이온 빔의 최종 분리 및 조절을 위한 분리기(resolver) 하우징(23), 및 이온 빔으로써 이온 주입되는 웨이퍼 W를 운반하는 회전 디스크(26)를 포함하는 말단 스테이션(24)의, 5개 부분 또는 서브시스템을 포함한다. 질량 분석 자석 조립체(16) 다음에 라이낵(18)의 입구에 라이낵 내로 통과하는 빔 전류의 양을 제어하는 가변(可變) 개구(開口)(30)가 배치되어 있다. 개구 (30)의 바로 하류에 개구(30)로부터 나와서 라이낵(18)으로 들어가는 빔 전류를 측정하는 제1플래그 패러데이(Faraday)(31)가 있다. 웨이퍼 W에 이온 주입하기 전에 이온 빔 전류를 측정하는 제2플래그 패러데이(35)가 분리기 하우징(23)에 배치되어 있다. 이온 소스(14)로부터 추출된 이온 빔(15)은 질량 분석 자석 조립체(16)에 진입하기 전에 소스 한정 개구(36)(또한 도 2 참조)를 통과한다. 질량 분석 자석 조립체(16)를 통과하는 이온 빔은 통상적으로 단일의 동위 원소를 포함하고, 통과하는 이온 빔에 추가 에너지를 부여하는 RF 라이낵(18)에 진입한다. RF 라이낵은, 시간에 따라서 주기적으로 변동하는 입자 가속장을 생성하고, 그 위상(位相)은 상이한 원자 번호의 입자 및 상이한 속도를 갖는 입자를 수용하도록 조정할 수도 있다. RF 라이낵(18)의 복수의 공진기 모듈(20)의 각각은 이전의 모듈로부터 받은 에너지 이상으로 이온을 추가로 가속하는 기능을 한다. 각각의 공진기 모듈(20)의 중간에는 정전 사중극 렌즈(40)가 있다. 사중극 렌즈(40)는 통과하는 이온 빔을 재집속하여, 이온 빔이 특정의 공진기 모듈(20)을 통과할 때 반경 방향의 순 분산의 영향에 대하여 반대로 작용한다. 도 1에 나와 있지 않지만, 사중극 렌즈는 RF 라이낵(18)의 바로 전후에 배치할 수도 있다. 도 2는 질량 분석 자석 조립체(16)를 더욱 상세히 나타낸 것이다. 자석 조립체(16)는 하우징(44)내에 둘러싸인 자석(42)을 포함한다. 자석(42)은 계자 코일(도시되어 있지 않음)을 감은 요크(yoke)(도시되어 있지 않음)를 포함한다. 코일을 통하여 흐르는 전류는 자계의 강도와 방향성을 제어한다. 하우징(44)의 내부의 한쪽에는 충돌판(46)이 붙여져 있고, 다른 쪽 부분에는 충돌판(48)이 붙여져 있다. 질량 분석 자석 조립체(16)는 이온 소스(14)에서 발생된, 적절한 전하 대 질량 비를 갖는 이온만을 RF 라이낵(18)으로 통과시키는 기능을 한다. 이온 소스(14)는, 적절한 전하 대 질량 비의 이온을 발생하는 것에 추가하여, 주입하는 데에 필요한 것보다 더 큰 또는 더 작은 전하 대 질량 비의 이온도 또한 발생하므로, 질량 분석 자석이 필요하다. 부적절한 전하 대 질량 비를 갖는 이온은 웨이퍼내로의 이온 주입에 적합하지 않다. 질량 분석 자석의 내부 영역(49)을 통과하는 이온 빔은RF 라이낵(18)에 진입하기 전에 분리 개구(50)에서 집속된다. 빔내의 동일하게 대전된 (양) 이온의 반발력으로 인하여 어느 정도의 빔 발산이 발생하므로, 적절한 전하 대 질량 비를 갖는 필요로 하는 이온은 통로(15b)를 따라서, 더욱 정확하게는, 통로(15a 및 15c)에 의해서 형성된 빔 통로 포락선(包絡線) 내에서 이동한다. L로 표시된 통로는 이온 주입되는 화학종의 바람직한 전하 대 질량 비보다 큰(즉, 이온의 원자 질량이 너무 낮거나 가벼운) 전하 대 질량 비를 갖는 필요로 하지 않는 이온의 궤적 통로를 나타낸다. H로 표시된 통로는 이온 주입되는 화학종의 바람직한 전하 대 질량 비보다 작은(즉, 이온의 원자 질량이 너무 높거나 무거운) 전하 대 질량 비를 갖는 필요로 하지 않는 이온의 궤적 통로를 나타낸다. 가벼운 이온의 궤적(통로 L)은 필요로 하는 이온의 궤적보다 자계에 의해서 더욱 영향을 받아서 이 가벼운 이온은 충돌판(46)에 충돌한다. 무거운 이온의 궤적(통로 H)은 필요로 하는 이온의 궤적만큼 자계에 의해서 많이 영향을 받지 않아서 이 무거운 이온은 충돌판(48)에 충돌한다. 충돌판(46)에 충돌하는 가벼운 이온에는, 이온 소스로부터 추출된 중양성자가 포함되어 있다. 어떤 중양성자는 또한 이온 빔의 중화 위치 및 통로 H를 따라서 운반되어서 충돌판(48)에 충돌할 수도 있다. 충돌판(46 및 48)은 부분적으로 자석 내부 영역(49)에 대한 외측 경계를 형성한다. 본 발명에 있어서, 최소한 충돌판(48)은, 중양성자가 충돌할 때 중성자 방사를 일으키지 않는 탄소계 재료로 제조한다. 예로서, 충돌판은 C-13 성분이 없는(또는 크게 감소된), 동위 원소적으로 순수한 C-12로 제조할 수도 있다. 적어도, 이러한 충돌판의 표면은 이러한 타입의 재료로써 피복하여야 한다(도 3 참조). 도 3에 나타내는 바와 같이, 기판(54)은 C-12 및 C-13 동위 원소 모두를 함유하는 복합 물질로 구성되어 있다. 기판 상부에는 동위 원소적으로 순수한(C-13이 없는) C-12로된 더 얇은 층(56)이 배치되어 있다. 동위 원소적으로 순수하다는 것은, 상기 층(56)이 질량으로서 자연적으로 출현하는 탄소 C-13의 양(약 1.1%)보다 더 적게 함유하는 것을 의미한다. 따라서, 상기 층(56)은 질량으로서 바람직하게는 1% 이하의 탄소 C-13, 또한 더욱 바람직하게는, 0.5% 이하를 포함한다. 상기 층의 두께 T는 대략 12미크론(㎛)이다. 도 3에는 나타내지 않았지만, 충돌판(46)을 유사한 형태로 구성할 수도 있다. 본 발명은 질량 분석 자석용 충돌판의 관점에서 설명하였지만, 동위 원소적으로 순수한 탄소 C-12는 이온 주입기의 기타 구성 부분을 구성하는 데에 사용할 수도 있는 것을 고려하여야 한다. 예로서, 개구판, 전극, 및 사중극을 이 재료로 구성할 수도 있다. 따라서, 본 발명은, 동위 원소적으로 순수한 탄소 C-12를 사용하여 통과하는 이온 빔이 충돌할 수도 있는 이온 주입기의 구성 부분을 구성함으로써 이온 주입기의 빔라인 전체를 따라서 중성자 방사의 발생을 방지하는 데에 이용될 수 있다. 따라서, 이온 주입기에서의 중성자 방사 방지용 장치의 바람직한 실시예를 설명하였다. 그러나, 상기의 설명을 염두에 두고, 본 설명은 예로서만 한 것이고, 본 발명은 여기에서 설명한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니며, 이하의 청구 범위 및 동등 내용으로써 정의된 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 상기 설명에 대하여 여러가지 재구성, 변형, 및 대체가 실시될 수도 있는 것을 이해하여야 한다. |
