이온 주입 균일도를 개선하는 이온 빔 주사 시스템 및 방법 document_id A220623050695

반도체 장치 및 다른 제품의 제조 시에는, 반도체 웨이퍼, 디스플레이 패널, 또는 불순물을 가진 다른 공작물을 도핑하기 위해 이온 주입을 사용한다. 이온 주입기 또는 이온 주입 시스템은 공작물을 이온 빔으로 처리하여, n형 또는 p형 도핑 영역을 형성하거나, 공작물 내에 비활성화층(passivation layer)을 형성한다. 반도체 도핑에 이용되면, 이온 주입 시스템은 선택된 이온종을 분사하여, 원하는 외인성 물질(extrinsic material)을 생성하며, 여기서, 안티몬, 비소 또는 인과 같은 소스 물질로부터 생성된 주입 이온은 결과적으로 n형 외인성 물질 웨이퍼를 생성시키고, 붕소, 갈륨 또는 인듐과 같은 주입 물질은 반도체 웨이퍼 내에 p형 외인성 물질 부분을 생성시킨다. 도 1A는 단말기(12), 빔라인 조립체(14) 및 종단국(16)을 가진 예시적인 이온 주입 시스템(10)을 도시한 것이다. 단말기(12)는, 이온 빔(24)을 생성시켜 빔라인 조립체(14)로 지향시키는 고전압 전원(22)에 의해 가동되는 이온원(20)을 포함한다. 빔라인 조립체(14)는 빔가이드(32) 및 질량 분석기(26)로 구성되며, 여기서, 쌍극자 자기장이 확립되어, 빔가이드(32)의 출구단에서 분해 개구(34)를 통해 적절한 전하 대 질량비의 이온만을 종단국(16) 내의 공작물(30)(예컨대, 반도체 웨이퍼, 디스플레이 패널 등)로 통과시킨다. 이온원(20)은, 이온원(20)으로부터 추출되어 이온 빔(24) 내에 형성되는 전하 이온을 생성시키며, 이온 빔(24)은 빔라인 조립체(14) 내의 빔 경로를 따라 종단국(16)으로 지향된다. 이온 주입 시스템(10)은 이온원(20)과 종단국(16) 사이로 연장하는 빔 형성 및 형상 구조체를 포함할 수 있으며, 이 구조체는, 이온 빔(24)을 유지하여, 빔(24)이 종단국(16) 내에 지지되는 하나 이상의 공작물(30)로 수송되는 신장된 내부 공동부 또는 통로를 바운드(bound)한다. 이온 빔 수송 통로는 통상적으로 진공 상태로 되어, 공기 분자와의 충돌을 통해 빔 경로로부터 편향되는 이온의 확률을 감소시킨다. 저 에너지 주입기는 통상적으로 수천 전자 볼트(keV)의 이온 빔을 약 80-100 KeV 까지 제공하도록 설계되는 반면에, 고 에너지 주입기는 질량 분석기(26)와 종단국(16) 간의 (도시되지 않은) 선형 가속 (linac) 장치를 이용하여, 질량 분석된 빔(24)을 더욱 고 에너지, 통상적으로 수백 keV로 가속화시킬 수 있으며, 여기서, DC 가속이 또한 가능하다. 고 에너지 이온 주입은 일반적으로 공작물(30) 내에 깊은 주입을 위해 사용된다. 역으로, 고전류, 저 에너지 이온 빔(24)은 통상적으로 고 선량, 얕은 깊이의 이온 주입을 위해 사용되며, 이 경우에, 이온의 저 에너지로 인해 일반적으로 이온 빔(24)의 수렴을 유지하는 것이 어렵게 된다. 집적 회로 장치 및 다른 제품을 제조할 시에는, 전체 공작물(30)에 걸쳐 도펀트 종을 균일하게 주입하는 것이 바람직하다. 종단국(16)의 상이한 형태는 종래의 주입기에서 발견된다. "배치(batch)"형의 종단국은 회전 지지 구조체 상에 다수의 공작물(30)을 동시에 지지할 수 있으며, 여기서, 공작물(30)은 모든 공작물(30)이 완전히 주입될 때까지 이온 빔의 경로를 통해 회전된다. 한편, "시리얼(serial)"형 종단국은 주입을 위한 빔 경로를 따라 단일의 공작물(30)을 지지하며, 여기서, 다수의 공작물(30)은 시리얼 형식으로 하나씩 주입되고, 각 공작물(30)은 다음 공작물(30)의 주입이 개시하기 전에 완전히 주입된다. 도 1A의 주입 시스템(10)은 시리얼 종단국(16)을 포함하며, 여기서, 빔라인 조립체(14)는 측면 스캐너(lateral scanner)(36)를 포함하고, 이 측면 스캐너는 비교적 좁은 프로파일을 가진 이온 빔(24)(예컨대, "펜슬" 빔)을 수신하여, 빔(24)을 X 방향 전후로 주사하여, 빔(24)을, 적어도 공작물(30)만큼 넓은 유효 X 방향 폭을 가진 연장된 "리본" 프로파일로 확산시킨다. 그 후, 리본 빔(24)은 병렬화기(parallelizer)(38)를 통해 통과되고, 이 병렬화기는, 이 리본 빔을, (예컨대, 일반적으로 공작물 표면과 수직인) Z 방향과 일반적으로 병렬인 공작물(30)로 지향시킨다. 단말기(12), 빔라인 조립체(14) 및 종단국(16)이 개별 또는 이산 시스템으로서 도시되어 있지만, 이들 중 하나 이상은, 예컨대 결합될 수 있거나, 그의 부품이 공유될 수 있으며, 여기서, 단말기(12)는 빔가이드(32) 및, 병렬화기(38)를 통한 다른 빔라인 조립체 부품을 포함하도록 연장할 수 있다. 도 1B-1E에서도, 빔 경로의 어느 한 횡방향측 상의 한쌍의 주사판 또는 전극(36a 및 36b) 및, 도 1C의 파형 다이어그램(60)에 도시된 바와 같이 교번 전압(alternating voltage)을 전극(36a 및 36b)에 제공하는 전압원(50)을 가진 스캐너(36)가 도 1B에 도시되어 있다. 주사 전극(36a 및 36b) 간의 시변(time-varying) 전압 전위는 그 사이에서 빔 경로에 걸쳐 시변 전기장을 생성하며, 이에 의해, 빔(24)은 주사 방향(예컨대, 도 1A, 1B 및 1C-1J에서 X 방향)을 따라 구부려지거나 편향된다. 스캐너 전기장이 전극(36a)에서 전극(36b)으로의 방향에 있으면(예컨대, 전극(36a)의 전위가 도 1C의 시간 "a" 및 "c"에서와 같이 전극(36b)의 전위보다 더 양이면), 빔(24)의 양 전하 이온은 음의 X 방향으로(예컨대, 전극(36b)을 향해) 횡력(lateral force)을 받는다. 전극(36a 및 36b)이 동일한 전위(예컨대, 도 1C의 시간 "e"에서와 같이 스캐너(36) 내의 0 전기장)에 있으면, 빔(24)은 수정되지 않고 스캐너(35)를 통과한다. 전기장이 전극(36b)에서 전극(36a)으로의 방향에 있으면(예컨대, 도 1C의 시간 "g" 및 "i"), 빔(24)의 양 전하 이온은 양의 X 방향으로(예컨대, 전극(36a)을 향해) 횡력을 받는다. 도 1B는, 병렬화기(38)에 입력하기 전에 주사 동안 시간적으로 예시적인 수개의 이산점에서 스캐너(36)를 통과하는 주사된 빔(24)의 편향을 도시하고, 도 1D는 도 1C에 나타낸 대응하는 시간에서 공작물(30)에 충돌하는 빔(24)을 도시한 것이다. 도 1D에서 주사 및 병렬화된 이온 빔(24a)은 도 1C의 시간 "a"에서 인가된 전극 전압에 대응하며, 후속하여, 빔(24b-24i)은, 도 1D에서, X 방향으로 공작물(30)에 걸쳐 일반적으로 단일의 수평 주사를 위한 도 1C의 대응하는 시간 "c", "e", "g" 및 "i"에서 주사 전압에 대해 도시되어 있다. 도 1E는 공작물(30)에 걸쳐 빔(24)의 단순한 주사를 도시하며, 여기서, (도시되지 않은) 기계적 동작은, 스캐너(36)에 의해 X 방향 주사 중에 양의 Y 방향으로 공작물(30)을 병진시켜, 빔(24)이 공작물(30)의 완전 노출면 상에 충돌된다. 스캐너(36) 내에 주사하기 전에, 이온 빔(24)은 통상적으로 제각기 0이 아닌 X 및 Y 치수의 폭 및 높이 프로파일을 가지며, 완전 대칭이 아닐 수 있으며(예컨대, Y/X 치수의 1이 아닌 종횡비(non-unity aspect ratio)를 가질 수 있으며), 여기서, 빔의 X 및 Y 치수의 하나 또는 양방은 수송 중에 변화한다. 빔(24)이 빔 경로를 따라 공작물(30)로 수송될 시에, 빔(24)은 각종 전기장 및/또는 자기장 및, 빔 폭 및/또는 높이를 변경할 수 있는 장치와 충돌한다. 게다가, 양의 전하 빔 이온의 상호 반발 작용을 포함하는 공간 전하 효과는 대응책이 없이 빔을 발산하는 경향이 있다(예컨대, X 및 Y 치수의 증대). 실제로 공작물에 제공되는 빔(24)에 대해, 스캐너(36)의 기하학 및 동작 전압은 이온 빔(24)에 대해 어떤 집속 특성을 제공한다. 완전 대칭 빔(24)(예컨대, 펜슬 빔)이 스캐너(36)에 입력하는 것을 추정할 시에도, 스캐너 집속 특성이 스캐너(36) 및 병렬화기(38)의 집속 거리가 스캐너(36)의 유효 꼭지점(effective vertex)에서 X 방향의 최외부 주사된 에지에 있는 공작물(30)까지의 거리와 동일한 집속 거리를 제공하도록 하면, 스캐너(36)에 의한 빔(24)의 휨은 빔 집속을 변화시키며, 여기서, 입사 빔은 통상적으로 X 방향의 횡방향 에지(예컨대, 도 1D의 24a 및 24i)에서만 집속되고, 횡방향 에지(예컨대, 도 1D의 24c, 24e 및 24g) 간의 포인트에 대한 X 치수에서는 집속되지 않을 것이다(예컨대, 더 넓거나 더 발산함). 도 1F-1J는 제각기 주사된 사례(24a, 24c, 24e, 24g 및 24i)에 대응하는 입사 빔(24)을 도시한다. 빔(24)이 X 방향으로 웨이퍼(30)에 걸쳐 주사될 시에, 스캐너(36)의 X 방향 집속은 변화하여, 빔(24)이 중심으로 이동할 시에 입사 빔(24)의 횡방향 발산을 증대시켜, 빔(24)이 다시 다른 횡방향 에지에 도달할 시에 집속을 개선한다. 이 경우에, 스캐너(36)의 집속 길이는 본질적으로, 빔(24)이 스캐너(36)의 꼭지점에서 X 방향의 최외부 에지(예컨대, 빔(24a 및 24i) 중 어느 하나까지 이동하는 거리로 설정된다. 이 경우에, 주사하지 않을 경우, 빔(24e)은, 입사 빔(24e)이 도 1H에 도시된 바와 같이 X 방향 폭 Wc을 갖는 공작물(30)의 중심으로 바로 진행한다. 그러나, 빔(24)이 그 중심에서 떨어진 어느 한 방향에서 횡방향으로 주사될 시에, 스캐너(36)의 시변 집속 특성은 입사 빔의 횡방향 집속을 더욱 강하게 한다. 예컨대, 공작물(30)의 최외부 에지에서, 도 1F에는 입사 빔(24a)이 제 1 좌측 폭 WL1을 가지며, 우측 상에서, 도 1J에는 입사 빔(24i)이 제 1 우측 폭 WR1을 갖는다. 도 1G 및 1I는, 제각기 입사 빔 폭 WL2 및 WR2을 가지고, 공작물(30)의 에지 및 중심 간의 X 방향 집속 변동을 도시한 2개의 중간 빔(24c 및 24g)을 도시한다. 주사 방향을 따라 스캐너(36)의 집속 변동을 저지하기 위해, 통상의 이온 주입 시스템의 설계는 종종 스캐너(36)와 웨이퍼(30) 간에 상당히 긴 거리를 제공하여, 주사 방향 빔 치수(예컨대, X 치수)의 치수 변동이 작다. 그러나, 주입 균일도 사양(specification)이 이온 주입기에 대해 증가될 시에, 이와 같은 집속 변동은 점점 더 허용할 수 없게 된다. 더욱이, 고 전류, 저 에너지 이온 빔(24)에 대해, 스캐너(36)와 공작물(30) 간의 긴 드리프트(drift) 거리는 빔 이온의 상호 반발로 인해 더욱 빔 블로업(beam blowup)되기 쉽다. 그래서, 빔 주사 장치의 시변 집속 특성이 제어되거나 개선될 수 있는 개선된 이온 주입 시스템 및 주사 시스템에 대한 필요성이 계속되어 왔다.