KR100559515B1 - 이온주입장치의 이온소스부 - Google Patents

이온주입장치의 이온소스부 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이온주입장치의 이온소스부에 관한 것이다.
본 발명의 이온주입장치의 이온소스부에 있어서, 상기 가스튜브 상에 직교 방향으로 삽입 설치되어, 상기 가스튜브를 따라 유입되는 가스를 가열하여 온도를 높이는 가스히터부가 포함되는 것을 특징으로 한다. 따라서 가스튜브를 통하여 유입되는 가스에 가스히터부로 하여 충분한 열을 가함으로써, 활발한 운동에너지를 가지는 가스분자가 용이하게 이온화될 수 있는 조건을 만들어주어 장치의 로드를 줄여 인슐레이터의 사용 수명을 늘리고, 절연 상태를 확보하여 좋은 조건의 이온빔을 얻을 수 있다.

Description

이온주입장치의 이온소스부{ION SOURCE OF AN ION IMPLANTING APPARATUS}
도 1은 종래의 이온주입장치의 이온소스부의 개략적인 구성도이고,
도 2는 본 발명에 따른 이온주입장치의 이온소스부의 구성도이고,
도 3은 본 발명에 따른 가스히터부의 측단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 아크챔버 2 : 가스튜브
3 : 가스배출구 4 : 리펠러(repeller)
5 : 마그네트 6, 12 : 필라멘트
7 : 음극판 8 : 필라멘트 절연체
10 : 가스히터부 11 : 절연체
13 : 커버 14 : 통로
20 : 필라멘트 전원공급부
본 발명은 반도체 공정의 이온 주입 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 아크챔버로 유입되는 가스의 온도를 높여 최적의 상태에서 이온화할 수 있도록 한 이온주입장치의 이온소스부에 관한 것이다.
반도체소자 제조 공정중 불순물 주입단계(doping)는 반도체 결정에 불순물 (dopant)을 넣는 공정이다. 주입된 불순물은 웨이퍼 표면의 전도형태와 저항성을 바꾸어 트랜지스터, 다이오드, 저항 등의 동작부를 구성하게 된다. 도핑하는 방법에는 열적 확산과 이온주입의 두 가지가 있는데 열적 확산 방법은 정밀한 형상의 제어가 곤란하다는 단점이 있어 근래의 반도체 장비에는 이온주입기를 주로 채용하고 있다.
이온주입기는 이온화된 불순물을 가속시켜서 마스킹된 웨이퍼의 표면에 도핑하는 설비이다. 이온주입기는 빔전류량에 따라 크게 두 종류로 나눌 수 있는데 그 중 하나는 빔전류량이 0.5mA ~ 2mA 범위에 속하는 중전류 이온주입기(medium-current implanter)이고 나머지 하나는 빔전류량이 2mA ~ 30mA 범위에 속하는 대전류 이온주입기(high-currentimplanter)이다.
상술한 이온주입기는 이온빔을 생성하는 이온소스부(ion source section)와; 생성된 이온에 필요한 에너지를 부여하는 빔라인부(beam line section)와; 웨이퍼 가공실의 진공 및 대기상태를 조절하여 웨이퍼의 로딩 및 언로딩을 제어하는 로드록부(load-lock portion)를 포함하는 엔드스테이션부(end station section)와; 이온주입 공정이 완료된 후 이온주입기 내부에 남아 있는 배기가스를 배출하는 배기 시스템(exhaust system)으로 구성된다.
도 1은 종래의 이온주입장치의 이온소스부의 개략적인 구성도를 나타낸 것으로, 종래의 이온소스부를 기능별로 나눠보면 이온빔이 생성되고 방출되는 장소인 아크챔버(arc chamber)(1)와 아크챔버에 이온 가스를 공급하는 주입구의 가스튜브(2)와, 가스배출구(3)와, 이온들이 충돌되어 반사되는 리펠러(repeller)(4)와, 축방향의 자계를 형성하기 위한 소오스 마그네트(5)와, 전자를 공급하는 필라멘트 시스템으로 구성된다. 다시 필라멘트 시스템은 전자를 방출하는 필라멘트(6)와 전자들이 원활하게 이온 가스분자와 충돌할 수 있도록 밀어주는 역할을 하는 음극판(7), 필라멘트(6)와 음극판(7)을 아크전원으로부터 절연하는 필라멘트 절연체(8)로 구성된다.
이온빔 발생장치에서 상기 텅스텐 필라멘트(6)는 이온소스로서 작용한다. 가스튜브(2)를 통해서는 BF3, pH3,AsH3 등의 가스가 유입될 수 있다.
상기 필라멘트(6)에 전원이 인가되는 동시에 아크전압의 출력(Vout)이 60볼트까지 전압이 증가하면, 스위치가 '온'되어 아크전압 출력(Vout)은 100볼트까지 증가하게 된다. 그러므로, 100볼트의 아크전압이 고정적으로 텅스텐 필라멘트(6)와 아크챔버(1) 사이에 인가된다.
반도체 소자의 동작에 필요한 불순물 이온의 생성은 필라멘트 전압공급원에서 공급된 200A 전류를 받아 가열된 필라멘트(6)로부터 발생된 열전자가 가스튜브(2)를 통해 유입되는 불순물 혼합가스(BF3,pH3,AsH3)와 충돌하여 각종 이온이 발생된다. 필라멘트(1) 그 자체에서 발생된 전계와 상기 이온소스 헤드외부에 배치된 소스 마그네트(5)에서 공급된 축방향의 마그네틱 전계의 사용은 아크방전을 발생시키기 위해 전자를 국한하는 역할을 하며, 필라멘트(6)에서 방출된 전자는 필라멘트(6) 근접영역에서 원운동 궤적을 형성하고 이 현상은 종속적 플라즈마의 고 밀도를 초래한다. BF3가스의 경우, 방전은 플라즈마내의 지배적인 이온종(Species) B+, F+, BF+, BF2+를 포함한다.
여기서, 상기 필라멘트(6)의 역할은 필라멘트에 가해진 전류에 의해 열전자를 방출시키는 것이다. 방출된 열전자는 아크챔버(1) 내부로 주입되어지는 가스 분자와 충돌을 일으켜 이온을 생성하게 됨을 알 수 있다. 따라서, 상기 필라멘트(6)는 아크챔버(1)와 전기적인 절연을 양호하게 유지할 수 있어야 한다.
그러나 가스튜브를 통하여 유입되는 가스분자의 온도가 매우 낮아 운동에너지도 낮으며, 운동에너지가 낮은 가스분자는 열전자와 충돌할 수 있는 조건이 충분하지 않게 된다. 이와 같은 조건을 극복하기 위하여 아크챔버나 필라멘트의 많은 전원이 소모되는데, 특히 아크챔버에는 많은 인슐레이터가 들어가는데 전원을 많이 걸어주게 되면, 절연이 파괴되어 쇼트(short)되는 현상이 자주 발생하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 결점을 해소시키기 위하여 안출된 것으로서, 가스튜브를 통하여 유입되는 가스에 가스히터부로 하여 충분한 열을 가함으로써, 활발한 운동에너지를 가지는 가스분자가 용이하게 이온화될 수 있도록 한 이온주입장치의 이온소스부를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 이온빔이 생성되고 방출되는 장소인 아크챔버(arc chamber)와, 상기 아크챔버에 이온 가스를 공급하는 주입구의 가스튜브와, 가스배출구와, 이온들이 충돌되어 반사되는 리펠러(repeller)와, 축방향 의 자계를 형성하기 위한 소오스 마그네트와, 전자를 공급하는 필라멘트 시스템으로 구성되는 이온주입장치의 이온소스부에 있어서; 상기 가스튜브 상에 직교 방향으로 삽입 설치되어, 상기 가스튜브를 따라 유입되는 가스를 가열하여 온도를 높이는 가스히터부가 포함되는 것을 특징으로 하는 이온주입장치의 이온소스부를 제공한다.
본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 이온주입장치의 이온소스부의 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 가스히터부의 측단면도이다.
종래와 동일 부품에 대해서는 동일 번호를 부여하였다.
도 2에 도시된 바와 같이 이온소스부는, 이온빔이 생성되고 방출되는 장소인 아크챔버(arc chamber)(1)와, 아크챔버(1)에 이온 가스를 공급하는 주입구의 가스튜브(2)와, 가스가 배출되는 가스배출구(3)와, 이온들이 충돌되어 반사되는 리펠러(repeller)(4)와, 축방향의 자계를 형성하기 위한 소오스 마그네트(5)와, 전자를 공급하는 필라멘트 시스템으로 구성된다. 다시 필라멘트 시스템은 전자를 방출하는 필라멘트(6)와 전자들이 원활하게 이온 가스분자와 충돌할 수 있도록 밀어 주는 역할을 하는 음극판(7), 필라멘트(6)와 음극판(7)을 아크전원으로부터 절연하는 필라멘트 절연체(8)로 구성된다.
여기서 본 발명의 특징에 따라 가스튜브(2)로 유입되는 가스에 열을 가하는 가스히터부(10)가 설치된다.
도 3에 도시된 바와 같이 가스히터부(10)는 가스튜브(2)의 중단 정도에 직교 방향으로 삽입 설치되는 램프(lamp) 타입으로써, 하부의 절연체(11)에는 필라멘트(12)가 고정 설치되고, 필라멘트(12)의 후단으로는 전원을 공급하는 필라멘트 전원공급부(20)가 설치된다.
그리고 램프와 같이 필라멘트(12)를 포함하도록 상부에 커버(13)가 씌워진다.
상기 커버(13)는 쿼츠(Quartz) 재질로 제작되며, 상부 내측으로는 다수개의 개방된 통로(14)가 가로 방향으로 형성된다.
통로(14)가 형성된 커버(13)의 상부가 가스튜브(2)에 삽입된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 이온주입장치의 이온소스부의 작용을 설명하면 다음과 같다.
다시 도 2를 참조하면, BF3, pH3,AsH3 등의 가스가 가스튜브(2)를 따라 흐르게 되면, 램프 타입의 가스히터부(10)의 통로(14)를 통과하게 된다. 이 때 가스히터부(10)는 필라멘트 전원공급부(20)에서 공급된 전원에 의하여 필라멘트(12)는 발열한다. 따라서 커버(13)의 내부는 온도가 상승된 상태이고 이 통로(14)를 통과하는 가스는 당연히 온도 상승을 가져온다.
한 편, 필라멘트(6)에 전원이 인가되는 동시에 아크전압의 출력(Vout)이 60볼트까지 전압이 증가하면, 스위치가 '온'되어 아크전압 출력(Vout)은 100볼트까지 증가하게 된다. 그러므로, 100볼트의 아크전압이 고정적으로 텅스텐 필라멘트(6)와 아크챔버(1) 사이에 인가된다.
반도체 소자의 동작에 필요한 불순물 이온의 생성은 필라멘트 전압공급원에서 공급된 200A 전류를 받아 가열된 필라멘트(6)로부터 발생된 열전자가 가스튜브(2)를 통해 유입되는 온도가 가열된 불순물 혼합가스(BF3,pH3,AsH3)는 운동에너지를 크게 하여 용이하게 이온화할 수 있는 조건으로 충돌하여 각종 이온이 발생된다.
필라멘트(6) 그 자체에서 발생된 전계와 상기 이온소스 헤드외부에 배치된 소스 마그네트(5)에서 공급된 축방향의 마그네틱 전계의 사용은 아크방전을 발생시키기 위해 전자를 국한하는 역할을 하며, 필라멘트(6)에서 방출된 전자는 필라멘트(6) 근접영역에서 원운동 궤적을 형성하고 이 현상은 종속적 플라즈마의 고밀도를 초래한다. BF3가스의 경우, 방전은 플라즈마내의 지배적인 이온종(Species) B+, F+, BF+, BF2+를 포함한다.
따라서 가스튜브(2)를 따라 흐르는 가스를 가스히터부(10)로 하여 가열함으로써, 가스분자는 최적의 상태에서 이온화될 수 있다.
이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일실시 예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 이온주입장치의 이온소스부는, 가스튜브를 통하여 유입되는 가스에 가스히터부로 하여 충분한 열을 가함으로써, 활발한 운동에너지를 가지는 가스분자가 용이하게 이온화될 수 있는 조건을 만들어주어 장치의 로드를 줄여 인슐레이터의 사용 수명을 늘리고, 절연 상태를 확보하여 좋은 조건의 이온빔을 얻을 수 있다.

Claims (4)

  1. 이온빔이 생성되고 방출되는 장소인 아크챔버(arc chamber)와, 상기 아크챔버에 이온 가스를 공급하는 주입구의 가스튜브와, 가스배출구와, 이온들이 충돌되어 반사되는 리펠러(repeller)와, 축방향의 자계를 형성하기 위한 소오스 마그네트와, 전자를 공급하는 필라멘트 시스템으로 구성되는 이온주입장치의 이온소스부에 있어서;
    상기 가스튜브를 따라 유입되는 가스를 가열하여 온도를 높이는 가스히터부가 상기 가스튜브 상에 직교 방향으로 삽입 설치되며,
    상기 가스히터부는, 필라멘트 전원 공급부로부터 전원을 공급받는 필라멘트가 절연체에 고정 설치되고, 가스가 흐를 수 있도록 가로 방향으로 이어지는 다수개의 통로를 구비하는 커버가 상기 필라멘트를 포함하며 설치되는 구성임을 특징으로 하는 이온주입장치의 이온소스부.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 커버는 쿼츠(Quartz) 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 이온주입장치의 이온소스부.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스튜브의 통로 내측은 알루미나(Al2O3)로 코팅 형성되는 것을 특징으로 하는 이온주입장치의 이온소스부.
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