KR100412354B1 - 이온주입장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이온주입장치에 관한 것으로서, 특히 본 발명의 장치는 웨이퍼를 재치하고 이온빔이 조사되는 영역 내에서 상기 이온빔을 웨이퍼가 스캔하도록 웨이퍼를 가동시키는 스캔수단; 및 상기 스캔수단의 주변에 고정 설치되어 상기 스캔수단의 밖으로 조사된 이온빔을 차단하기 위한 빔차단수단을 구비한 이온주입장치에 있어서, 상기 빔차단수단의 표면은 상기 스캔수단에 근접된 부분이 상기 스캔수단에 재치된 웨이퍼의 표면 보다 하방으로 경사지게 구성한 것이다.

따라서, 본 발명에서는 빔차단수단의 표면에서 발생된 스캐터링 파티클이 스캔수단의 웨이퍼에 오염되는 것을 방지할 수 있다.

Description

이온주입장치{ION IMPLANTER}

본 발명은 이온주입장치에 관한 것으로서, 특히 이온주입장치 내의 스퍼터링 파티클을 효과적으로 감소시킬 수 있는 이온주입장치에 관한 것이다.

최근 256M DRAM의 경우에는 현재 0.18㎛급 이하의 디자인 룰(design rule)을 요구하는 기술로서 파티클(PARTICLE)에 의한 문제가 큰 불량 원인으로 작용하여 수율을 떨어지게 한다. 이러한 PARTICLE 발생은 더 나아가서는 차세대의 1G DRAM, 4G DRAM제품 개발에 많은 어려움과 한계를 만들게 되어 문제 극복의 큰 장애로 작용을 한다.

따라서, 최근에 반도체 제조업계에서는 반도체 제조공정 상에서 파티클 발생의 억제와 파티클에 의한 오염을 감소하기 위하여 각 단위공정마다 파티클 발생원인과 그 대처방안에 대하여 많은 노력과 시간을 투자하고 있다.

특히, 이온주입공정에서 웨이퍼의 파티클 오염은 반도체 소자의 전기적 특성에 큰 영향을 미치게 된다.

통상적으로 이온주입공정은 이온주입장비 내에 웨이퍼를 재치하고 웨이퍼의 표면에 가속된 이온을 충돌시켜서 웨이퍼 표면 내에 원하는 이온을 필요한 양만큼, 필요한 깊이로 주입한다.

이와 같은 이온주입장비에서 발생된 파티클의 성분은 크게 기계적 파티클과 전기적 파티클로 분류될 수 있다. 전기적 파티클은 이온빔의 정전기력에 의한 파티클의 활성화와 이온빔 주사시 금속면에 이온의 고속충돌에 의한 스퍼터링 파티클이 주 오염원으로 작용한다. 기계적 파티클은 회전장치나 전송시스템의 움직임에 의한 열화가 주 오염원으로 작용한다.

기계적 파티클은 원인파악이 용이하고 발생시 불량의 정도가 아주 미약하게 나타나므로 전기적 파티클에 비하여 상대적으로 파티클 트레이스가 쉽고 기술적으로 고난이도를 요하지 않는다.

그러나, 전기적 파티클의 경우는 양이온에 의한 이온빔으로 인해서 정전기력의 힘은 작고 미세한 파티클을 활성화시키고, 스퍼터링을 유발함으로써 불량의 정도가 심각하고 기술적으로도 트레이스가 어려운 고기술력을 요한다.

본 발명의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 이온주입장비에서 파티클의 오염원을 분석하고 특히 스퍼터링 파티클의 발생을 억제할 수 있도록 부품의 구조개선을 통하여 파티클 불량을 감소시킬 수 있는 이온주입장비를 제공하는 데 있다.

도 1은 일반적인 배치형 이온주입장치의 평면 개략도.

도 2는 도 1의 배치형 이온주입장치의 엔드 스테이션의 측면 개략도.

도 3은 웨이퍼의 표면에 대한 스필오버 컵의 높이 변화에 따른 파티클 발생 추이를 나타낸 도면.

도 4는 시간당 이온빔 전류량에 대한 스필오버 컵의 사용주기를 나타낸 도표.

도 5는 이온빔 전류량에 대한 스필오버 컵의 부식율을 나타낸 그래프.

도 6은 일반적인 이온주입장치의 표면이 평탄한 스필오버 컵의 스퍼터링 파티클의 비산과정을 나타낸 도면.

도 7은 본 발명에 의한 일실시예로 배치타입 이온주입장치의 표면이 경사진 스필오버 컵의 스퍼터링 파티클의 비산과정을 나타낸 도면.

도 8은 본 발명에 의한 다른 실시예로, 싱글타입 이온주입장치의 샘플 빔 컵의 구성을 나타낸 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 : 터미널 모듈 110 : 이온소스

120 : 질량분석기 200 : 엔드 스테이션 모듈

210 : 진공챔버 220 : 스캔수단

221 : 디스크 222 : 웨이퍼 홀더부

223 : 디스크 구동부재 224 : 스캔암

225 : Y축 구동부재 226 : 디스크 구동 하우징

227 : 파이프 228 : 표면이 평탄한 스필오버 컵

229 : 표면이 경사진 스필오버 컵

230 : 웨이퍼 이송수단 240 : 웨이퍼 스테이션

250 : 웨이퍼 캐리어 260 : 파라데이 컵

300 : 가속기 400 : 이온빔

500 : 스캔 웨이퍼 홀더 600 : 샘플 빔 컵

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이온주입장비는 웨이퍼를 재치하고 이온빔이 조사되는 영역 내에서 상기 이온빔을 웨이퍼가 스캔하도록 웨이퍼를 가동시키는 스캔수단과, 상기 스캔수단의 주변에 고정 설치되어 상기 스캔수단의 밖으로 오버스캔된 이온빔을 검출하기 위한 이온빔 검출수단을 구비한 이온주입장치에 있어서, 상기 이온빔 검출수단은 상기 스캔수단에 인접된 부분이 상기 스캔수단에 재치된 웨이퍼의 표면 보다 하방으로 위치하도록 그 표면이 전체적으로 경사진 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 이온빔 검출수단의 표면 경사각은 10 내지 30°범위 내로 한정한다. 10도 이내로 할 경우에는 경사각이 너무 작아서 비산되는 파티클이 스캔수단의 웨이퍼 상에 비산되는 것을 방지하는 효과가 충분치 못하며 30도 이상으로 할 경우에는 경사각이 너무 커서 스퍼터링에 의해 발생된 2차전자의 파라데이 컵에 의한 억제제어가 곤란하게 된다.

본 발명에서 스캔수단은 배치형 이온주입장치의 회전 디스크나 싱글형 이온주입장치의 스캔 웨이퍼 홀더를 포함한다.

본 발명에서 이온빔 검출수단은 스캔수단에 인접하여 설치되어 스캔수단의에지를 벗어난 이온빔을 검출하는 스필오버 컵이나 샘플 빔 컵 등을 포함한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.

도 1은 일반적인 배치타입 이온주입장치의 구조를 나타낸다.

배치타입은 웨이퍼 홀더에 한 장의 웨이퍼를 홀딩하는 싱글타입과는 달리 회전형 홀더에 대략 13장 내지 25장의 웨이퍼를 홀딩하는 멀티타입을 말한다.

도 1의 배치타입 이온주입장치는 크게 터미널 모듈(100)과 엔드 스테이션 모듈(200)을 가속기(300)로 연결한 구성을 가진다.

터미널 모듈(100)은 이온 소스(110), 질량분석기(120)를 포함한다. 터미널 모듈에서는 이온소스(110)로부터 소스물질을 이온화시키고, 질량분석기(120)에서 이온들 중 불필요한 이온들을 분리한다. 가속기(300)에서는 질량분석기(120)에서 분리된 필요한 이온들을 수 keV 내지 수 MeV로 가속시켜서 이온빔(400)을 형성하여 엔드 스테이션(200)에 공급한다.

엔드 스테이션(200)은 고진공 챔버(210) 내에 스캔수단(220) 및 웨이퍼 이송수단(230)을 포함한다. 웨이퍼 이송수단(230)은 이온주입 전에 스캔수단(220)에 웨이퍼 스테이션(240)에 재치된 웨이퍼 캐리어(250)로부터 웨이퍼(W)를 로딩하고, 이온주입 후에는 스캔수단(220)로부터 웨이퍼 캐리어(250)에 웨이퍼(W)를 언로딩한다. 고진공챔버(210)는 이온주입 동안에는 고진공으로 유지된다.

도 2는 도 1의 엔드 스테이션의 측단면 구조를 나타낸다. 도 2의 스캔수단(220)은 Z축방향으로 조사되는 이온빔(400)에 대하여 X축 및 Y축의 2차원 평면내에서 이온빔(400)을 스캐닝한다.

스캔수단(220)은 디스크(221), 디스크 구동부재(223), 스캔암(224), Y축 구동부재(225), 디스크 구동 하우징(226), 파이프(227), 이온빔 검출수단(228)을 포함한다. 디스크(221)는 디스크 구동부재(223)에 의해 회전축을 중심으로 회전된다. 디스크(221)의 주변부에는 다수의 웨이퍼 홀더부(222)가 형성되어 각 웨이퍼 홀더부(222)에 웨이퍼(W)가 홀딩된다.

스캔암(224)의 자유단에는 디스크 구동하우징(226)이 설치되고, 이 하우징(226) 내에 디스크 구동부재(225)가 장착된다. 스캔암(224)의 고정단은 Y축 구동부재(225)에 고정되어 Y축 구동부재(225)에 의해 Y축 방향, 즉 상하 방향으로 이송 가능하게 설치된다.

디스크 구동 하우징(226)의 상측 외주연에는 파이프(227)가 전방으로 연장되어 설치되고, 파이프(227)의 종단에는 이온빔 검출수단(228), 일명 스필오버 컵(spillover cup)이 장착된다.

이온빔 검출수단(228)은 이온빔의 효율적인 이용을 위하여 디스크(221)의 에지를 벗어난 이온빔을 검출한다.

가속기(300)를 통하여 조사된 이온빔(400)은 디스크(221)의 상단 웨이퍼 홀더부(222)에 홀딩된 웨이퍼(W)에 이온빔이 조사되도록 도입된다. 상단 웨이퍼 홀더부(222)의 전방에는 일정 간격으로 이격되어 이온빔 전류를 측정하기 위한 파라데이 컵(260)(faraday cup)이 설치된다.

이와 같이 구성된 배치형 이온주입장치는 웨이퍼 로딩시에는 스캔암(224)이 회전되어 디스크(221)가 거의 수평하게 위치되어 디스크(221)의 상단부위가 웨이퍼이송수단(230)에 근접하게 된다. 웨이퍼 이송수단(230)에 의해 각 웨이퍼 홀더부(222)에 한 장씩 웨이퍼(W)가 놓여져 홀딩되면, 디스크는 일정 각도 회전되어 다음 웨이퍼 홀더부(222)가 웨이퍼 이송수단(230)에 근접한 위치에 오게 된다.

이와 같은 방법으로 디스크(221) 상의 모든 웨이퍼 홀더부(222)에 웨이퍼(W)가 로딩되면, 스캔암(224)이 역방향으로 회전되어 디스크(221)를 수직하게 위치시킨다. 수직위치에서는 웨이퍼 홀더부(222)가 파라데이 컵(260)에 근접하게 위치하게 되어 이온빔(400)이 웨이퍼(W)에 조사 가능하게 된다.

이어서, 디스크(221)를 회전시키면서 이온빔(400)을 조사하게 되면, 웨이퍼들이 균일하게 이온빔을 스캔하게 된다.

본 발명의 출원인은 이와 같은 이온주입장치에서의 파티클 오염원을 규명한 여 다음과 같이 오염원과 그 대응방식을 정리하였다.

1.기계적 파티클

1) 진공성 파티클 ; 로드락(lord lock) 러깅(roughing)시 압력변화로 인하여 온도 급강화에 의해 웨이퍼에 습기가 침적되고 이러한 습기 칩적은 파티클을 흡인하는 요인으로 작용한다. 대응방식으로는 습기가 생기지 않을 정도로 진공펌핑을 천천이 하거나 질소가스 등으로 퍼징한 후에 러깅을 시작하면 습기 침적을 방지할 수 있다.

2) 마모성 파티클 ; 이온빔 진행로 상의 파라데이 컵 등의 개구부 얼라인 불량으로 Mo, Al, C 등의 파티클이 발생되나 에너지가 미약하고 단순 도포성이다. 대응방식으로는 주기적으로 얼라인을 점검한다.

3) 예방 메인터넌스 파티클 ; 단위 부품들의 예방성 메인터넌스(preventive maintenance) 불량으로 부품들의 틈새에 유입된 습기가 즐어드는 시기에 급격히 H2O2, 산화 알루미늄 등의 파티클이 발생된다. 대응방식으로는 예방 메인터넌스의 개선 및 표준화로 방지할 수 있다.

2. 전기적 파티클

1) 아크성 파티클 ; Al, Fe, Ti, SUS 등의 파티클이 웨이퍼 전면에 긴 꼬리를 형성를 형성하는 것으로 파티클의 에너지가 매우 강하다. 대응방식으로는 프로세스 전면에 2차 전자 발생을 억제시키거나 전기 바이어스 형성을 금지하는 대책을 강구한다.

2) 정전기성 파티클 ; 음전하 인가시 C(흑연) 등의 파티클이 활성화된어 나타난다. 정전기성 파티클은 전기 음성도가 강하고 단순 도포성이다. 대응방식으로는 흑연 파티클 발생을 억제시키고, 진공챔버 내를 주기적으로 클리닝시킨다.

3) 스퍼터링 파티클 ; 이온빔의 충돌에 의해 C, Al, Fe, Ti, 년 등의 파티클이 발생되고, 주로 웨이퍼의 에지부위에 집중적으로 발생된다. 대응방식으로는 얼라인 및 이온빔에 의한 초당 단위면적에 가해지는 스트레스를 최소화하는 방안을 강구한다.

본 출원인은 이와 같은 이온주입장치에서의 파트클 오염원을 분석하고, 특히 금속성 스퍼터링 파티클 발생원인 스필오버 컵의 표면에서의 스퍼터링 파티클에 주목을 하였다.

스킬오버 컵은 스캔수단인 디스크의 에지에 고정되어 이온주입공정 동안에지속적으로 이온빔에 의한 충격을 받는다. 따라서, 스필오버 컵의 표면은 디스크 표면에 비하여 상대적으로 지속적인 이온빔의 충격에 의해 표면이 스퍼터링되게 된다.

도 3은 웨이퍼의 수평면에 대한 스필오버 컵의 표면 높이에 따른 파티클 발생 추이를 나타낸다.

디스크에 홀딩된 웨이퍼의 표면 높이를 기준으로 스필오버 컵의 표면 높이에 따른 스퍼터링 파티클의 영향을 실험한 결과 도 3에 도시한 바와 같이, 스필오버 컵의 표면 높이가 웨이퍼의 표면 높이 보다 높아질수록 웨이퍼의 에지부위의 스퍼터링 파티클의 오염정도가 증가됨을 알 수 있다.

따라서, 종래에는 알루미늄 재질의 스필오버 컵의 표면에 실리콘을 코팅하여 스퍼터링 파티클의 발생을 줄이고자 하였으나 스필오버 컵의 표면 마모정도를 어느 정도 줄이는 효과는 있었으나 스퍼터링 파티클의 발생을 억제하지는 못하였다.

웨이퍼의 표면보다 스필오버 컵의 표면 높이를 더 낮게 세팅할 경우에는 파티클 오염도를 낮출 수 있으나, 전방에 설치된 파라데이 컵과의 거리가 멀어지게 되므로 2차전자의 억제제어가 곤란해지므로 스필오버 컵의 표면 높이를 웨이퍼의 표면 높이 보다 더 낮게 설정할 수는 없다.

도 4는 시간당 이온빔 전류량에 대한 스필오버 컵의 사용주기를 나타내고, 도 5는 이온빔 전류량에 대한 스필오버 컵의 부식율을 나타낸다.

도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 이온빔 전류의 상승은 곧 빔 파워가 증가하는 것이므로, 낮은 전류량(10㎂ ∼ 1 mA)에 비해서 높은 전류량(1mA ∼ 20mA)을사용할수록 타겟 영역에 가해지는 충돌이 강해져서 부식율이 증가하여 파티클 발생량이 증가하게 됨을 알 수 있다.

그러므로, 고전류 이온주입장치에서는 이와 같은 스퍼터링 파티클에 의한 웨이퍼의 오염은 웨이퍼 주변부의 다이들에 치명적인 전기적 특성변화를 주게되므로 소자의 전기적 특성 불량에 의한 수율 저하의 주요인으로 체크되고 있다.

도 6에 도시한 바와 같이, 기존의 스필오버 컵(228)의 표면은 평탄한 구조로 되어 있기 때문에 디스크(221) 상에 홀딩되는 웨이퍼(W)의 수평면과 미스얼라인에 의해 더 높은 위치로 세팅될 경우에 스퍼터링 파티클에 의한 오염정도가 증가하게 된다.

즉, 스필오버 컵(228)의 표면이 이온빔의 조사방향에 대하여 수직으로 위치하므로, 이온빔의 충돌시 표면에서 발생되는 스퍼터링 파티클의 비산각도가 충분히 커서 인접하는 웨이퍼 상에 떨어지게 된다.

스필오버 컵(228)은 디스크 구동하우징(226)에 고정된 파이프(227)의 종단에 고정 설치되게 때문에 웨이퍼(W)의 표면과 일치하는 높이로 정확하게 얼라인한다는 것이 곤란하다. 설사 높이를 얼라인시킨다 할지라도, 디스크의 회전시 진동 도는 열팽창 등으로 높이가 틀어지게 되어 스필오버 컵(228)의 표면이 웨이퍼(W)의 표면 보다 높아지게 될 경우가 빈번하게 발생하게 될 것이다.

또한, 일정 시간 사용 후에는 표면 마모로 인하여 부품을 교체하거나 할 경우에 교체된 부품의 높이를 웨이퍼(W)의 수평면 높이에 정확하게 얼라인시킨다는 것이 오퍼레이터에게는 상당히 곤란한 작업이다.

따라서, 본 출원인은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 스필오버 컵의 표면을 도 7에 도시한 바와 같이 경사지게 구성한 스필오버 컵(229)을 구성한 것이다.

본 발명에서 스필오버 컵(229)는 알루미늄 재질에 그 표면을 실리콘으로 코팅하거나 비트리어스 그래파이트(vitrius graphite)로 구성한다.

본 발명에서 스필오버 컵(229)의 표면 경사도는 대략 10도 내지 30도의 범위 내로 한다. 10도 내지 30도 의 범위 이내로 경사지게 할 경우에 이온빔이 표면에 충돌시 수직인 방향이 아니므로, 충돌 에너지가 분산되어 줄어들게 될 뿐만 아니라 충돌에 의해 발생된 파티클의 비산각도도 크게 감소되므로 비산된 파티클이 디스크(221)의 에지를 넘지 못하고 디스크(221) 측면에 충돌되어 소멸되게 되므로, 디스크(221) 상에 홀딩된 웨이퍼(W)에 떨어지는 파티클의 량이 대폭적으로 감소하게 된다.

즉, 입사되는 이온 빔은 스필오버 컵(229)의 표면 경사각으로 인해서 충돌시 기준선을 넘지 않는 반발력만을 가지므로 결국은 스퍼터링 파티클은 디스크(221)의 에지에 부딪혀서 소멸되게 된다.

경사도가 10도 이내로 작을 경우에는 그 경사도가 미미하여 스퍼터링 파티클이 웨이퍼(W) 위로 비산되어 웨이퍼(W)의 에지부위를 오염시키는 정도가 크게 개선되지 않는다. 경사도를 30도 이상으로 크게 할 경우에는 파티클이 웨이퍼 위로 비산되지는 않으나, 충돌시 발생된 2차 전자가 디스크(221) 전방에 설치된 파라데이 컵(260)에 도달되지 못하므로 파라데이 컵(270)을 통한 2차 전자의 억제제어가 곤란하게 된다. 즉, 파라데이 컵(260)과 거리가 멀어지게 되면 자기장 콘트롤이 어렵기 때문에 2차 전자의 억제제어가 힘들어지게 된다.

따라서, 본 발명에서는 10 내지 30도의 범위로 스필오버 컵(229)의 경사도를 유지함으로써 웨이퍼(W)에 스퍼터링 파티클이 비산되는 것은 방지하면서 파라데이 컵(260)과의 거리 간격을 유지하여 발생된 2차 전자를 효과적으로 억제할 수 있다.

도 8은 싱글타입 이온주입장치에 있어서, 샘플링 빔 컵에 본 발명을 적용한 다른 실시예를 나타낸다.

싱글타입은 배치타입과는 달리 스캔 웨이퍼 홀더(500)에 한 장의 웨이퍼(W)를 홀딩하고 이온빔 조사영역 내를 상하, 또는 좌우로 스캔한다. 싱글타입에서도 웨이퍼(W)에 조사되는 이온빔을 샘플링하기 위하여 스캔 웨이퍼 홀더(500)수단에 인접한 위치에 샘플 빔 컵(600)을 설치하고 있다.

본 발명에서는 샘플 빔 컵의 표면을 상술한 배치 타입의 스필오버 컵의 표면과 유사한 방법으로 경사지게 구성함으로써 샘플 빔 컵(600)의 표면에서 발생되는 스퍼터링 파티클이 웨이퍼(W)에 비산되는 것을 방지할 수 있다.

비록 본 발명의 구성요소들이 특정한 실시예와 관련되어 기술되었지만 본 발명은 수많은 다른 방법으로도 구현될 수 있다. 결론적으로, 설명하는 과정에서 묘사된 특정한 실시예는 절대로 한정적으로 해석되기를 의도한 것이 아니라는 것이다. 본 실시예의 구체적인 부분에 대한 참조는 본 발명의 필수 구성요소라고 간주되는 특징만을 기술하고 있는 청구범위의 보호영역을 한정하려는 의도가 아니다.

상술한 바와 같이 본 발명에서는 이와 같이 본 발명은 이러한 파티클 발생 문제를 개선시켜서 0.18㎛급 및 차기 0.16㎛급 제품생산의 고수율을 확보할 수 있다. 특히, 고정된 스필오버 컵이 사용 중에 발생 될 수 있는 미세한 움직임(진동, 열평창)으로 스핀 디스크보다 돌출 된다고 하더라도 경사진 표면에 의해 파티클 오염원으로 작용하지 않는다.

Claims (6)

1. 웨이퍼를 재치하고 이온빔이 조사되는 영역 내에서 상기 이온빔을 웨이퍼가 스캔하도록 웨이퍼를 가동시키는 스캔수단; 및

   상기 스캔수단의 주변에 인접하여 고정 설치되어 상기 스캔수단의 밖으로 오버스캔된 이온빔을 검출하기 위한 이온빔 검출수단을 구비한 이온주입장치에 있어서,

   상기 이온빔 검출수단은 상기 스캔수단에 인접된 부분이 상기 스캔수단에 재치된 웨이퍼의 표면 보다 하방으로 위치하도록 그 표면이 전체적으로 경사진 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 이온주입장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 이온빔 검출수단의 표면 경사각은 10 내지 30°범위 내인 것을 특징으로 하는 이온주입장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 이온빔 검출수단은 알루미늄판의 표면에 실리콘이 코팅된 것을 특징으로 하는 이온주입장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 이온빔 검출수단은 비트리어스 그래파이트(vitrius graphite)로 구성된 것을 특징으로 하는 이온주입장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 스캔수단은 다수의 웨이퍼들을 홀딩한 디스크인 것을 특징으로 하는 이온주입장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 스캔수단은 한 장의 웨이퍼를 상기 이온빔이 조사되는 영역 내를 왕복시키는 것을 특징으로 하는 이온주입장치.