KR980011669A - Extended ion implantation system - Google Patents

Abstract

본 발명은 수 KeV 내지 수 MeV의 에너지로 모든 종류의 원소의 직류 가속을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 주입된 이온에 의한 미량 불순물이 집적회로의 생성에 필수적인 반도체 재료의 도핑 제어에 관한 것이다. 본 장치는 전위가 상승될 수 있는 절연 가스 또는 증기내에 양극성으로 변환되는 중성 도펀트원자의 고속 빔을 하나의 단으로서 수반하는 이온 가속 절차를 사용한다. 셀내에 발생된 양이온이 어스로 리턴시, 이 이온들은 필요한 에너지로 가속 또는 감속된다. 이 기술의 중요한 적용은 이온을 감속시키기 위해 지연 필드를 사용하고 KeV영역에 대한 중성빔형 MeV의 유효 에너지 범위를 확장시키는 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for the direct current acceleration of all kinds of elements with energy of several KeV to several MeV. The present invention relates in particular to the doping control of semiconductor materials in which trace impurities by implanted ions are essential for the production of integrated circuits. The apparatus uses an ion acceleration procedure involving as a single stage a high speed beam of neutral dopant atoms that are converted to bipolar in an insulating gas or vapor where the potential can be raised. When cations generated in the cell return to earth, these ions are accelerated or decelerated to the required energy. An important application of this technique is to use a delay field to slow down ions and to extend the effective energy range of the neutral beam type MeV for the KeV region.

Description

범위가 확장된 이온 주입 시스템Extended ion implantation system

본 내용은 요부공개 건이므로 전문내용을 수록하지 않았음Since this is an open matter, no full text was included.

20KeV 내지 200KeV범위의 에너지를 갖는 이온을 사용하는 이온 충격에 의한 반도체 재료의 도핑은 당해 분야에 주지된 기술이다. 이와 같은 주입은 거의 모든 집적회로의 제조에 있어서 중요한 공정이다.Doping of semiconductor materials by ion bombardment using ions having energy in the range of 20 KeV to 200 KeV is well known in the art. Such implantation is an important process in the manufacture of almost all integrated circuits.

그러나, 이와 같은 집적회로의 사이지가 소형화함에 따라, 저에너지로 이온주입 처리를 행하기 위한 요구가 증대되고 있다. 최대 요망사항은 1KeV 정도로 낮은 에너지로의 주입이다. 또한, 반도체 웨이퍼를 주입장치로부터 제거하지 않고 수개의 독립적 주입 공정이 수행되는 체인드 주입(chained implant)들로 알려져 있는 새로운 공정 절차가 있다. 종종, 이들 공정중 하나 이상은 공정 MeV주입을 수반하며 이어서 매우 낮은 도즈의 저에너지 주입을 행한다. 이에 따라, 주입기는, 10KeV이하 내지 3000KeV 범위의 높은 에너지를 갖는 이온빔을 발생해야 한다. 본 발명은 이와 같은 요구사항을 감안한 것으로, 1KeV에서 각종 에너지로 이온을 발생하기 위한 방법을 기술한다.However, as the size of such integrated circuits becomes smaller, the demand for ion implantation at low energy is increasing. The maximum requirement is injection into energy as low as 1KeV. There is also a new process procedure known as chained implants in which several independent implant processes are performed without removing the semiconductor wafer from the implanter. Often, one or more of these processes involve process MeV injection followed by a very low dose low energy injection. Accordingly, the injector must generate an ion beam having a high energy in the range of 10 KeV or less to 3000 KeV. The present invention takes account of these requirements and describes a method for generating ions with various energies at 1 KeV.

상기 장치는 고속 중성 원자의 발생, 접속 및 이송과 dc 가속 기술을 결합한 가속 방법에 기초하고 있다. 본 발명에 있어서, 중성빔 성분은, 접지전위의 영역으로 부터, 운동에너지가 입자들로부터 가감됨이 없이 선택된 고전압으로 유지되는 제2영역으로 고에너지 도펀트 원자를 효율적으로 이송하기 위해 사용된다. 또한, 빔이송 시스템의 벽(well)의 어떤 정전하에 의해 야기되는 편향 공간전하로 부터의 영향이 감소된다. 1996년 7월 3일자 출원된 미국 특허출원(출원번호 미정)에 기술된 바와 같은 중성빔형 MeV주입기가 참고로 본 명세서에 언급되어 있으며, 특수 목적을 위해 KeV에너지를 필요로 할 수 있다. 본 발명은 최종 주입영역 근방의 영역으로 도펀트 원자를 효율적으로 이송할 수있는 중성빔을 기술하며, 상기 영역의 어떤 지점에서 빔은, 방출된 이온전하를 통합하기 위해 종래의 패러데이 콜렉터를 사용하여 필요한 에너지로 감소되고 질량분석 및 측정될 수 있는 양이온으로 변환된다. 이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.The device is based on an acceleration method that combines the generation, connection and transport of fast neutral atoms with dc acceleration technology. In the present invention, the neutral beam component is used to efficiently transport high energy dopant atoms from the region of the ground potential to the second region where the kinetic energy is maintained at the selected high voltage without being added or subtracted from the particles. In addition, the influence from deflection space charge caused by any electrostatic charge on the walls of the beam transfer system is reduced. Neutral beam-type MeV injectors, as described in US patent application (App. No.), filed Jul. 3, 1996, are incorporated herein by reference and may require KeV energy for special purposes. The present invention describes a neutral beam capable of efficiently transporting dopant atoms to an area near the final implantation area, at which point the beam is required using a conventional Faraday collector to incorporate the emitted ion charge. It is reduced to energy and converted to cations that can be mass analyzed and measured. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

제1도는 본 발명에 의한 중성빔 주입기의 바람직한 실시예를 보인 도면이다.1 is a view showing a preferred embodiment of the neutral beam injector according to the present invention.

제2도는 본 발명에 의한 중성빔 주입기의 제 2 실시예를 보인 도면이다.2 is a view showing a second embodiment of the neutral beam injector according to the present invention.

제3도는 중성빔을 사용하여 웨이퍼 주입 영역에 근접한 고플럭스의 저에너지 양이온을 발생시키는 것을 보인 도면이다.3 is a diagram showing the use of a neutral beam to generate high flux low energy cations proximate the wafer implantation region.

도 1은 본 발명의 원리를 도시한 개략도이다. 양이온은 적절한 이온원(1)으로 부터 추출되고 가속된다. 본 바람직한 실시예에 제한은 없으나, 추출되는 이온의 에너지는 30~100KeV의 범위에 있는 것으로 가정한다. 상기 양이온은 당해 분야에 공지된 전장 및 자장의 적절한 결합에 의해 질량분석된다. 도 1에 보인 바람직한 실시예에 있어서, 단일 편향 자석(2)은 이 목적을 위해 사용된다. 질량 한정 개구(6)에 질량 스펙트럼이 형성되며, 디플렉터(2)내에 자장의 강도를 변경시킴으로써,원하는 질량이 상기 고정된 한정 개구(6)를 통과하도록 편향될 수 있다.1 is a schematic diagram illustrating the principles of the present invention. The cation is extracted and accelerated from the appropriate ion source 1. Although there is no limitation in the present preferred embodiment, it is assumed that the energy of the extracted ions is in the range of 30 to 100 KeV. The cations are mass spectrometry by appropriate combination of electric and magnetic fields known in the art. In the preferred embodiment shown in FIG. 1, a single deflection magnet 2 is used for this purpose. A mass spectrum is formed in the mass confinement opening 6, and by changing the intensity of the magnetic field in the deflector 2, the desired mass can be deflected to pass through the fixed confinement opening 6.

상기 개구를 통과하는 상기 양이온의 거의 모두는 동일한 하전상태(1^-)를 갖고 거의 동일한 운동 에너지를 가지기 때문에, 이들 이온은 적절한 정전 또는 자기 렌즈(3)에 의해 거의 평행하거나 수렴되는 빔으로 집속될 수 있다. 당업자들은 이와 같은 집속을 달성하기 위해 다양한 방법이 있음을 알고 있을 것이나, 본 바람직한 실시예는 마그네틱 쿼트러플 트리플렛(magnetic quadruple triplet) 렌즈를 사용했다.Since almost all of the cations passing through the opening have the same charged state (1 ⁻ ) and have almost the same kinetic energy, these ions can be focused into a beam that is nearly parallel or converged by a suitable electrostatic or magnetic lens 3. Can be. Those skilled in the art will appreciate that there are a variety of ways to achieve this focusing, but the present preferred embodiment used magnetic quadruple triplet lenses.

당업자들에 참고적으로 설명하면, 본 발명에 있어서 집속 렌즈(3)의 사용은 필수적인 것은 아니다. 특히, 질량 한정 슬릿(6), 중성화기(4) 및 승강 캐널(elevated canal)(5)간의 거리가 짧으면, 집속 렌즈에 의해 유도되는 수렴없이 입자의 이송 효율이 적절히 될 수 있다. 렌즈가 불필요한 경우의 일예를 보인 도 2는, 가속기 출구로 부터 수 미터 이격되어 1센티미터 이하의 직경을 갖고, 실질적으로 평행한 고에너지 양이온을 발생시키기 위해 조정될 수 있는 반 드 그라프(Van de Graff)형 가속기(18)의 고전압 단말장치내의 이온원(17)을 도시한 것이다. 이와 같은 상태에서 당업자들은 중성화기내의 작은 각도의 스캐터링이 종종 매우 작기 때문에, 도 1에 부호 3으로 보인 집속 렌즈를 사용하지 않고 중성화기 및 승강 캐널을 통해 이온빔이 유도될 수 있음을 이해할 것이다.Referring to those skilled in the art, the use of the focusing lens 3 is not essential in the present invention. In particular, if the distance between the mass confining slit 6, the neutralizer 4 and the elevated canal 5 is short, the transport efficiency of the particles can be adequately achieved without convergence induced by the focusing lens. 2 shows an example where the lens is unnecessary, Van de Graff with a diameter of one centimeter or less from the accelerator outlet and can be adjusted to generate substantially parallel high energy cations. The ion source 17 in the high voltage terminal device of the type accelerator 18 is shown. In this state, those skilled in the art will understand that since small angle scattering in the neutralizer is often very small, the ion beam can be guided through the neutralizer and the lifting canal without using the focusing lens shown at 3 in FIG. 1.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 양이온이 전하 중성화기(4)를 통해 유도되어 그 안에서 유입 이온의 대부분이 고속 중성원자로 변환된다. 이와 같은 작용에 대한 분포 함수가 에이. 비. 윗코워 및 에이치. 디. 베츠에 의한 Atomic Data(Volume 5, page 133~136, 1973년)에 개시되어 있다. 에너지와 원소 종류의 모든 조합에 필요한 전하교환 매체와 원하는 이온의 정확한 조합을 항상 필요로 하지 않는 상기 논문의 표의 조사로부터, 170KeV의 에너지로 평균 두께의 질소가스를 통과하는 고속 질소 원자에 대해, 중성 원자로 변환되는 입사 양이온의 부분이 거의 50%이다.가장 중요한 도펀트 원자, 붕소 및 인의 변환 효율은, 적절한 중성화기 가스 또는 증기가 선택될 경우 동일한 정도의 크기로 되도록 기대된다. 또한, 당업자는, 이온화 전위가 적은 마그네슘이나 나트륨과 같은 증기가 전하 변경 매체로서 사용될 때 중성화효율은 높아지고 각도가 작은 스캐터링은 낮아지는 것을 이해할 것이다.1 and 2, the cation is led through a charge neutralizer 4 where most of the incoming ions are converted to fast neutral atoms. The distribution function for this action is A. ratio. Whitkower and H. D. Atomic Data (Volume 5, page 133-136, 1973) by Betz. Neutrality for fast nitrogen atoms passing through a nitrogen gas of average thickness at an energy of 170 KeV, from an investigation in the table of the paper that does not always require the exact combination of charge exchange media and desired ions required for all combinations of energy and element type. The fraction of incident cations that are converted to atoms is almost 50%. The most important conversion efficiencies of dopant atoms, boron and phosphorus are expected to be of the same size if an appropriate neutralizer gas or vapor is selected. Those skilled in the art will also understand that when vapor such as magnesium or sodium with a low ionization potential is used as the charge change medium, the neutralization efficiency is high and the small angle scattering is low.

도 1 및 도 2에 있어서, 중성화기(4) 다음의 전기 또는 자기 디플렉터(7)는 중성화기내에서 중성으로 변경되지 않는 잔류 양이온을 편향시켜 이들이 후단의 전장으로 유입되지 않도록 한다. 이 거절된 전하 이온은 빔 덤프(8)에서 정지된다.1 and 2, the electric or magnetic deflector 7 after the neutralizer 4 deflects residual cations that do not change to neutral in the neutralizer so that they do not enter the electric field at the rear end. This rejected charge ions are stopped at the beam dump 8.

고속 중성 원자가 고전압 인클로저내에 위치된 승강 가스 캐널(5)에 달하면, 이들의 에너지는 변화되지 않는다. 여기에서, 상기 중성 원자는 적어도 하나의 전자로 스트립되어 적극적으로 대전된다. 실제로, 그의 하전 상태가 0, 1⁺, 2⁺, 3⁺등에 걸쳐 분포되는 승강 가스캐널을 떠난 이온의조합으로 된다. 상기 윗코워 및 베츠에 의한 논문의 조사는 고속 중성을 양이온으로 스트리핑하기 위한 가장 적합한 가스는 헬륨이며, 아르곤을 포함한 다른 몇몇 가스는 포지티브 변환기에 대한 중성으로 효율적으로 사용될 수 있다. 100KeV정도의 에너지로 헬륨가스를 통과하는고속 붕소 원자에 대해, 평형율은 1⁺=66%. 2⁺=23%, 이다. 인에 대한 평형률은 1⁺=40%. 2⁺=50% 이다. 상기 1^-량은 평균 가스 두께 이하로 스트리핑 캐널(5)을 동작시키므로써 다소 증가되는 것이 기대된다.When the fast neutral atoms reach the lifting gas canal 5 located in the high voltage enclosure, their energy does not change. Here, the neutral atom is stripped with at least one electron and actively charged. In fact, the charged state is a combination of ions leaving the elevated gas channel distributed over 0, 1 ⁺ , 2 ⁺ , 3 ⁺ and the like. An investigation of the paper by Witcower and Betz said that the most suitable gas for stripping high speed neutrals with cations is helium, and some other gases, including argon, can be used efficiently as neutral to positive converters. For high-speed boron atoms passing through helium gas with an energy of about 100 KeV, the equilibrium ratio is 1 ⁺ = 66%. 2 ⁺ = 23%. The equilibrium ratio for phosphorus is 1 ⁺ = 40%. 2 ⁺ = 50%. The 1 ^- amount is expected to be increased somewhat by operating the stripping canal 5 below the average gas thickness.

양이온이 다시 어스에 달하면, 최종 이온 에너지는 이온이 승강 캐널을 떠날 때 각 이온의 하전 상태에 직접 의존한다. 이에 따라, 원하지 않는 하전상태를 갖는 이온 및 잔류 중성원자를 제거할 필요가 있다. 원리적으로, 이 제거는 직진하며 하전상태들간의 전기 경도 차가 가장 큰 상기 미합중국 특허 출원에 기술된 바와 같이 고전압 인클로저(10)내에서 달성되거나 또는 상기 제거는 어스에서 달성될 수 있다. 도 1 및 2에 보인 바람직한 실시에에서, 이 분리는 자기 또는 정전 편향(13)을 사용하여 어스에서 행해진다. 바람지한 실시예에서, 원하지 않는 하전 입자는 한정 개구(16)의 평면에서 정지하며, 원하지 않는 중성자(14)는 편향되지 않고 냉각 빔 정지구에서 정지될 수 있다. 원하지 않는 이온의 최종 에너지는 이온이 도 1에 보인 이온원을 떠날 때 추출된 이온의 에너지, 또는 도 2에 보인 가속 구조(18), 및 상기 한정 개구(16)를 통과한 상기 양이온에 의해 수반되는 전하와 곱해지는 상기 승강 캐널(5)에 인가되는 전위사이의 차에 의해 결정된다.As the cations reach earth again, the final ion energy directly depends on the state of charge of each ion as it leaves the elevating canal. Accordingly, it is necessary to remove ions and residual neutral atoms having unwanted charged states. In principle, this removal may be accomplished in the high voltage enclosure 10 as described in the above-mentioned US patent application, where the difference in electrical hardness between the straight states and the charged state is greatest, or the removal may be accomplished in earth. In the preferred embodiment shown in FIGS. 1 and 2, this separation is done in earth using magnetic or electrostatic deflection 13. In the preferred embodiment, the unwanted charged particles stop in the plane of the confinement opening 16 and the unwanted neutrons 14 can stop at the cooling beam stop without deflection. The final energy of the unwanted ions is accompanied by the energy of the extracted ions when the ions leave the ion source shown in FIG. 1, or the cation passing through the accelerating structure 18 shown in FIG. 2, and the confined opening 16. It is determined by the difference between the electric potential applied to the elevating canal 5 and the electric charge being multiplied.

도 3은 상기 미합중국 특허출원에 기술된 형태의 중성빔 MeV주입기를 사용하여 고강도의 KeV이온을 발생시키기 위한 상기 원리의 응용예를 나타낸다. 이와 같은 주입기에 있어서, 강한 중성빔(20)은 이미 발생되어 있으며, 상기 미합중국 특허출원에 있어서의 설명은 이들 빔이 고전압 단말장치(23)내에 위치되어 있는 스트리핑캐널(22)내의 제2양이온빔(21)으로 변환되는 방법을 제공한다. 가스 또는 증기가 입구(32)를 통해 상기 캐널(22)으로 유입되지 않을 때, 중성빔(20)은 손실없이 상기 캐널(22)을 통과하여, 진공중에 존재하는 전하 변경 분자들에 의해 야기되는 것 이외의 감쇠없이 가속 튜브(24)를 통해 어스로 다시 계속 드리프트한다. 가스 또는 증기가 상기 캐널(22)에 유입되지 않을 때 제2양이온 빔이 가속기를 정상적으로 떠난 점(25)에서, 중성빔은 전형적으로 1~2㎝의 직경을 갖도록 된다.3 shows an application of the above principle for generating high strength KeV ions using a neutral beam MeV injector of the type described in the above-mentioned US patent application. In such an injector, a strong neutral beam 20 has already been generated, and the description in the above-mentioned US patent application states that the second cation beam in the stripping canal 22 is located in the high voltage terminal device 23. A method of converting to 21 is provided. When no gas or vapor enters the canal 22 through the inlet 32, the neutral beam 20 passes through the canal 22 without loss, caused by charge altering molecules present in the vacuum. Continue to drift back to earth through the acceleration tube 24 without damping other than that. At point 25 where the second cation beam normally leaves the accelerator when no gas or vapor enters the canal 22, the neutral beam will typically have a diameter of 1-2 cm.

가스 또는 증기를 포함하여, 상기 빔(27)의 모두 또는 일부가 상기 가속기로부터 나온 직후 위치된 적절한 전하 변경 셀(26)을 통과함으로써, 양이온이 생성될 수 있다. 전원(29)을 사용하여 이 셀(26)의 전위를 증가시킴으로써, 양이온의 에너지는 이들이 접지전위로 되돌아오기 때문에 감소될 수 있다. 소망하는 이온의 최종 에너지는 최종 분석단(28)에 의해 허용된 상기 양이온의 전하에 의해 증가된 셀(26)에 인가된 전위와 중성빔내의 원자의 에너지간의 차에 의해 결정된다. 당업자는 양이온 지연모드에서 동작할 때, 양이온은 분석 영역(28)에서 캐널(26)으로 이끌리는 것을 이해할 것이다. 이와 같은 양이온의 흐름은 바람직하며 적절한 전압이 억제용 전극(30)에 인가될수 있다.Cations can be generated by passing all or a portion of the beam 27, including gas or vapor, through an appropriate charge change cell 26 located immediately after exiting the accelerator. By increasing the potential of this cell 26 using the power source 29, the energy of the cations can be reduced because they return to the ground potential. The final energy of the desired ions is determined by the difference between the potential applied to the cell 26 and the energy of the atoms in the neutral beam, increased by the charge of the cations allowed by the final analysis stage 28. Those skilled in the art will understand that when operating in the cation delay mode, cations are attracted to the canal 26 in the analysis region 28. Such a flow of cations is preferred and an appropriate voltage can be applied to the inhibiting electrode 30.

본 발명은 1KeV 내지 수MeV범위를 갖는 에너지를 갖는 이온의 충격에 의한, 제어된 이온주빙 도핑에 관한 것이다.The present invention relates to controlled ionophoretic doping by the impact of ions having energy in the range of 1 KeV to several MeV.

Claims (3)

평판 디스플레이 또는 반도체 표면근방 영역에 소정 에너지를 갖는 소망 원자를 주입하기 위한 장치에 있어서, 소망 이온의 제 1 빔을 형성하기 위해 상기 소망 원자 또는 분자를 이온화시키도록 하기 위한 소스; 소망 이온의 상기 제 1 빔의 부분을 중성 원자 또는 분자의 빔으로 변환하는 중성화기; 제 2 양이온 빔을 형성하기 위해, 상기 중성빔이 중성 입자로부터 전자를 제거하기 위해 유도되는, 상승 전위로 유지되는 스트리퍼; 상기 제 2 양이온 빔의 에너지가 변화되는 접지전위와 상승 전위의 상기 스트리퍼사이의 적절한 전장; 상기 제 2 양이온 빔을 반도체의 표면위로 유도하기 위한 수단을 포함하여 구성하는 장치.CLAIMS 1. An apparatus for implanting desired atoms with desired energy into a flat display or near semiconductor surface, comprising: a source for ionizing the desired atoms or molecules to form a first beam of desired ions; A neutralizer for converting a portion of said first beam of desired ions into a beam of neutral atoms or molecules; A stripper maintained at an elevated potential, wherein the neutral beam is directed to remove electrons from the neutral particles to form a second cation beam; A suitable electric field between the ground potential at which the energy of the second cation beam changes and the stripper at an elevated potential; And means for directing the second cation beam onto a surface of the semiconductor. 반도체 표면근방 영역에 소정 에너지를 갖는 소망 원자 또는 분자를 주입하기 위한 방법에 있어서, 소정 영역내에 전하 변경 셀을 상승된 전위로 유지하는 단계; 이온화된 원자 또는 분자의 유도 빔을 형성하기 위해 상기 소망 원자 또는 분자를 이온화시키는 단계; 중성 원자 또는 분자의 유도 빔을 형성하기 위해 상기 원자 또는 분자의 이온화된 빔을 중성화시키는 단계; 상기 하전 변경 셀을 통해 상기 중성 입자의 빔을 이송하는 단계; 최종 양이온 빔을 형성하기 위해 상기 중성 원자 또는 분자로부터 전자를 제거하는 단계; 상승 전위의 상기 영역으로부터 어스로 상기 최종 양이온의 통과에 의해 상기 최종 양이온을 가속시키는 단계; 및 상기 양이온을 상기 표면근방 영역위로 유도하는 단계를 포함하여 구성되는 방법.CLAIMS 1. A method for injecting a desired atom or molecule with desired energy into a region near a semiconductor surface, the method comprising: maintaining a charge change cell at an elevated potential within a region; Ionizing the desired atom or molecule to form an induced beam of ionized atoms or molecules; Neutralizing the ionized beam of atoms or molecules to form an induced beam of neutral atoms or molecules; Transporting the beam of neutral particles through the charge change cell; Removing electrons from the neutral atoms or molecules to form a final cation beam; Accelerating said final cation by passage of said final cation from said region of rising potential to earth; And inducing the cation onto the near surface area. 제1항에 있어서, 에너지 변화되는 상기 제 2 양이온이 다른 모든 입자가 거절된 상태로 에너지 분석되는 방법.The method of claim 1, wherein the energy-changed second cation is energy analyzed with all other particles rejected. ※ 참고사항 : 최초출원 내용에 의하여 공개하는 것임.※ Note: The disclosure is based on the initial application.