KR100689673B1

KR100689673B1 - 반도체소자의 불균일 이온주입 방법

Info

Publication number: KR100689673B1
Application number: KR1020040032799A
Authority: KR
Inventors: 손용선; 진승우
Original assignee: 주식회사 하이닉스반도체
Priority date: 2004-05-10
Filing date: 2004-05-10
Publication date: 2007-03-09
Also published as: CN1697136A; KR20050107700A; CN1697136B

Abstract

본 발명은 웨이퍼의 전면에 걸쳐 균일하게 이온주입할 때 발생하는 웨이퍼의 중앙부위와 에지부위 사이의 문턱전압 차이를 보상할 수 있는 이온주입방법을 제공하기 위한 것으로, 본 발명은 X 방향으로 왕복스캔하는 것과 X 방향과 직교하는 Y 방향으로 왕복스캔하는 것을 병용하여, 기판의 전면에 이온주입을 행하는 이온주입방법에 있어서, X 방향 스캔속도와 Y 방향 스캔속도 중 어느 하나, X 방향 스캔속도와 Y 방향 스캔속도를 각각을 웨이퍼의 중앙부위와 에지부위에서 달리하면서 이온주입하여 웨이퍼의 중앙부위와 에지부위에서 이온주입도즈량을 불균일하게 하여 웨이퍼의 위치별 게이트 CD 산포에 따른 문턱전압산포를 균일하게 보상할 수 있다.

이온주입, 이온주입도즈, 산포, 불균일, 스캔속도, X방향

Description

반도체소자의 불균일 이온주입 방법{METHOD FOR NONUNIFORMITY IMPLANT IN SEMICONDUCTOR DEVICE}

도 1은 종래기술에 따른 이온주입방법을 도시한 개념도,

도 2는 X 방향 스캔방식을 이용하여 웨이퍼의 에지부분의 이온주입도즈를 중앙부분도다 높인 경우를 나타낸 도면,

도 3은 웨이퍼내 이온주입도즈 분포맵,

도 4는 웨이퍼내 이온주입도즈분포도,

도 5는 종래기술과 본 발명의 실시예에 따른 문턱전압 산포를 비교한 도면.

본 발명은 반도체 제조 기술에 관한 것으로, 특히 반도체소자의 이온주입(Implant) 방법에 관한 것이다.

최근 반도체 소자의 고집적화, 고밀도화에 대응하여 보다 정밀한 불순물 제어가 요구되며, 더욱이 양산 기술면에서는 재현성의 향상 및 처리능력의 향상이 요 구되고 있다. 이에 따라 이온주입 기술에 대한 활용이 커지고 있다. 이온주입 기술이란 불순물을 이온 상태로 만든 후, 이를 가속하여 반도체 기판 상의 특정부위에 스캔함으로써 원하는 영역에 적정량의 불순물을 이온 주입시키는 반도체 기술이다.

이온주입 기술은 선택적 불순물 주입 및 순도 높은 불순물주입이 가능하며, 정밀한 불순물 제어가 가능하여 재현성 및 균일성이 우수하다. 이온주입에서 주입되는 불순물의 양인 도즈량을 제어하는 것이 필수적이다. 여기서, 도즈량은 이온 빔의 양을 감지하여 확인할 수 있다.

그리고, 반도체소자의 제조 공정에서 게이트의 CD(Critical Dimension) 산포는 직접적으로 제조 수율에 큰 영향을 미치는 요인으로 어느 반도체 업체건 게이트의 CD 산포 제어가 중요한 이슈이므로 마스크(Mask), 식각(Etch), 증착(Deposition) 공정을 통해 게이트의 CD 산포를 제어하기 위하여 많은 노력을 해오고 있다.

그러나, 소자의 지속적인 축소(Shrink)에 의한 공정 마진은 더욱 감소하게 되어 게이트의 CD 산포로 인한 수율의 감소는 더욱 증가하는 문제점을 초래하였다.

즉, 미니멈(minimum) 게이트 CD가 200nm 인 경우 산포는 ±10%를 취하더라도 수율 감소는 크지 않았으나, 미니멈 게이트 CD가 100nm 인 경우 산포가 ±10%인 경우 수율 감소는 심각한 문제가 되므로 산포는 ±5% 정도의 범위로 관리하여야 한다.

그러나, 이에 따른 공정 마진은 크게 감소되어 쓰루풋 감소 문제와 산포 관리의 어려움으로 인해 수율의 증가는 어려운 실정이다.

도 1은 종래기술에 따른 이온주입장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래기술에 따른 이온 주입 장치는 이온빔(13)을 전계 또는 자계에 의해 X방향(ⓧ⊙, 수평방향)으로 왕복 스캔하는 것과 홀더(12)에 고정되어 있는 웨이퍼(11)를 X방향과 실질적으로 직교하는 Y방향(수직방향)으로 왕복스캔하는 것을 병용하여 웨이퍼의 전면에 이온주입을 진행하고 있다. 여기서, 이온빔(13)은 홀더(12)에 고정되어 있는 웨이퍼(11)에 조사되고, 그에 따라 웨이퍼(11)에 이온주입이 진행된다. 그때, 웨이퍼(11)는 구동장치(14)에 연결된 구동축(15)의해 Y방향으로 왕복스캔한다.

위와 같이, 종래기술의 이온주입장치는 웨이퍼(11)의 Y방향 왕복스캔과 이온빔(13)의 X방향 왕복스캔의 협동에 의해 웨이퍼의 전면에 균일하게 이온주입을 행할수 있다. 즉, 균일한 이온주입을 위해 X방향 왕복스캔 속도 및 Y방향 왕복스캔 속도를 동일하게 적용한다.

그러나, 위와 같은 균일한 이온주입방법은 게이트 CD 산포와는 무관하게 웨이퍼내(within wafer) 및 웨이퍼간(wafer to wafer) 균일하게 이온주입함에 따라 게이트 CD 산포에 따라 전기적 특성이 웨이퍼내에서도 크게 차이가 나는 문제점이 그대로 나타나고 있다.

즉, 웨이퍼상의 소자 위치에 따라서 전기적특성이 달라지는 경향이 있다. 예를 들어, 이온주입균일도가 매우 높더라도 웨이퍼의 에지부분과 웨이퍼의 중앙부위에서의 소자특성이 서로 다르게 나타나는 경향이 있는 바, 소자특성중 트랜지스터의 문턱전압의 전기적 특성이 웨이퍼의 중앙과 웨이퍼의 에지 사이에서 서로 상이 하게 나타나는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 웨이퍼의 전면에 걸쳐 균일하게 이온주입할 때 발생하는 웨이퍼의 중앙부위와 에지부위 사이의 문턱전압 차이를 보상할 수 있는 반도체소자의 이온주입방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체소자의 이온주입방법은 X 방향으로 왕복스캔하는 것과 상기 X 방향과 직교하는 Y 방향으로 왕복스캔하는 것을 병용하여, 기판의 전면에 이온주입을 행하는 이온주입방법에 있어서, X 방향 스캔속도와 Y 방향 스캔속도 중 어느 하나를 웨이퍼의 중앙부위와 에지부위에서 달리하면서 이온주입하여 웨이퍼의 중앙부위와 에지부위에서 이온주입도즈량을 불균일하게 하는 것을 특징으로 하며, 상기 이온주입은, 상기 웨이퍼의 중앙부위의 도즈량을 높게 하고, 상기 웨이퍼의 에지부위의 도즈량을 낮게 하는 것을 특징으로 하고, 상기 이온주입은 상기 웨이퍼의 중앙부위의 도즈량을 낮게 하고, 상기 웨이퍼의 에지부위를 도즈량을 높게 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 반도체소자의 이온주입방법은 X 방향으로 왕복스캔하는 것과 상기 X 방향과 직교하는 Y 방향으로 왕복스캔하는 것을 병용하여, 기판의 전면에 이온주입을 행하는 이온주입방법에 있어서, X 방향 스캔속도와 Y 방향 스캔속도를 각각 웨이퍼의 중앙부위와 에지부위에서 달리하면서 이온주입하여 웨이퍼의 중앙부위와 에지부위에서 이온주입도즈량을 불균일하게 하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

후술하는 본 발명은 도 1과 같은 이온주입장치를 이용하여 이온주입할 때, 불균일한 이온주입을 적용하기 위해 X방향 왕복 스캔속도 및 Y방향 왕복스캔 속도를 웨이퍼의 부위별로 달리 적용한다.

본 발명은 웨이퍼내(Within wafer)에서의 게이트 CD 차이를 인정하고, 불균일한 이온주입방법을 적용하여 웨이퍼내 소자 특성의 차이를 갖지 않도록 하는 것을 기술적 원리로 한다.

예컨대, 웨이퍼의 중앙부분의 게이트 CD가 웨이퍼의 에지부분보다 크면 소자특성은 중앙부분이 에지부분 대비 문턱전압(Threshold voltage; V_T)이 높으므로 불균일 이온주입법을 이용하여 중앙부분의 이온주입 도즈(Dose)를 에지부분보다 낮추던지 혹은 에지부분의 이온주입도즈를 높여서 게이트 CD 산포에 의한 문턱전압의 차이를 보상할 수 있다. 반대로 웨이퍼 에지부분의 게이트 CD가 중앙부분보다 크면 소자특성은 에지부분이 중앙부분 대비 문턱전압이 높으므로 불균일 이온주입방법을 이용하여 에지부분의 이온주입도즈를 중앙부분보다 낮추던지 혹은 중앙부분의 이온주입도즈를 높여서 게이트 CD 산포에 의한 문턱전압의 차이를 보상할 수 있다.

위와 같이, 불균일 이온주입법을 적용하여 웨이퍼의 중앙부분 대 에지부분간 공정마진에 의한 게이트 CD 산포를 보상하므로써 소자특성의 산포가 감소하여 마진에 의한 페일을 감소시켜 수율을 증가시킬 수 있다.

먼저, X 방향 스캔방식을 이용하여 불균일 이온주입을 적용하는 경우는, 이온주입 진행시 X 방향 스캔 속도를 웨이퍼 부분별로 달리하여 이온주입도즈 분포를 다르게 만드는 제1방법, X 방향 스캔속도는 달리하면서 로테이션(Rotation)을 이용하여 이온주입도즈 분포를 다르게 만드는 제2방법을 적용할 수 있다.

도 2는 X 방향 스캔방식을 이용하여 웨이퍼의 에지부분의 이온주입도즈를 중앙부분도다 높인 경우를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, X 방향 스캔방식을 이용하여 플랫존(Flat Zone)을 기준으로 상하 대칭이 되도록 웨이퍼 에지 부분의 이온주입도즈(140%)를 웨이퍼 중앙부분의 이온주입도즈(100%)보다 높인다.

이어서, 웨이퍼를 반시계 방향으로 로테이션시켜 이온주입하면, 웨이퍼 에지부분의 이온주입도즈(240%)가 웨이퍼 중앙부분의 이온주입도즈(200%)에 비해 높아져 게이트 CD 산포 맵을 보상시킬 수 있다.

도 3은 웨이퍼내 이온주입도즈 분포맵이다. 도 3에서, 가로축은 X 방향 스캔 위치(Position in sweep direction)이고, 세로축은 편향(deviation)이다.

도 3을 참조하면, X 방향 스캔 위치가 클수록 스캔속도를 빨리하고, 스캔위 치가 작을수록 스캔속도를 느리게 한다.

도 4는 웨이퍼내 이온주입도즈분포도로서, 분포맵이 역전된 경우를 나타내고 있다.

X 방향 스캔방식을 이용하는 다른 방법으로는, 웨이퍼 내 도즈분포를 중앙부분을 높게 하고 에지부분을 낮게 하는 제3방법, 웨이퍼 내 도즈분포를 중앙부분을 낮게 하고 에지부분을 높게 하는 제4방법을 이용한다.

상기한 제3방법 및 제4방법을 적용하는 경우에 웨이퍼내 이온주입도즈 분포는 원형(circle) 분포, 사각형(rectangular) 분포, 좌우 대칭형 분포, 상하 대칭 형 분포로 만들 수 있다.

다음으로, X 방향 스캔방식과 달리, 웨이퍼내 소자 특성의 산포를 개선하기 위하여 Y 방향 스캔을 적용하여 불균일 이온주입을 적용할 수도 있다.

예컨대, Y 방향 스캔방식을 이용하여 불균일 이온주입을 적용하는 경우는, 이온주입 진행시 X 방향 스캔 속도를 웨이퍼 부분별로 달리하여 이온주입도즈 분포를 다르게 만드는 제1방법, X 방향 스캔속도는 달리하면서 로테이션(Rotation)을 이용하여 이온주입도즈 분포를 다르게 만드는 제2방법을 적용할 수 있다.

Y 방향 스캔방식을 이용하는 다른 방법으로는, 웨이퍼 내 도즈분포를 중앙부분을 높게 하고 에지부분을 낮게 하는 제3방법, 웨이퍼 내 도즈분포를 중앙부분을 낮게 하고 에지부분을 높게 하는 제4방법을 이용한다.

상술한 바와 같이, X 방향 스캔 방식 및 Y 방향 스캔 방식을 이용할 때 웨이퍼의 위치별로 스캔속도를 달리하여 불균일하게 이온주입하는데, 이 스캔속도는 이온주입도즈와 반비례 관례를 갖는다.

예컨대, X 방향 스캔 방식의 경우, 웨이퍼의 에지부분에서 이온주입도즈를 더 높게 하기 위해서는 웨이퍼의 중앙부분에서의 스캔속도를 에지부분에서의 스캔속도보다 빠르게 한다.

반대로, 웨이퍼의 중앙부분에서 이온주입도즈를 더 높게 하기 위해서는 웨이퍼의 에지부분에서의 스캔속도를 중앙부분에서의 스캔속도보다 빠르게 한다.

이처럼, 이온주입도즈량이 한 장의 웨이퍼 상에서 위치별로 다르게 나타나더라도 이온주입에 따른 문턱전압은 전 웨이퍼상에서 동일하게 형성된다.

마지막으로, 본 발명은 웨이퍼내 소자특성의 산포를 개선하기 위해 X 방향 스캔 및 Y 방향 스캔 방식을 동시에 적용할 수도 있다.

예컨대, X 방향 스캔방식 및 Y 방향 스캔방식을 동시에 이용하여 불균일 이온주입을 적용하는 경우는, 이온주입 진행시 X 방향 스캔 속도 및 Y 방향 스캔속도를 동시에 웨이퍼 부분별로 달리하여 이온주입도즈 분포를 다르게 만드는 제1방법, X 방향 스캔속도 및 Y방향 스캔속도를 모두 달리하면서 로테이션(Rotation)을 이용하여 이온주입도즈 분포를 다르게 만드는 제2방법을 적용할 수 있다.

또한, X 방향 스캔방식 및 Y 방향 스캔방식을 동시에 이용하는 다른 방법으로는, 웨이퍼 내 도즈분포를 중앙부분을 높게 하고 에지부분을 낮게 하는 제3방법, 웨이퍼 내 도즈분포를 중앙부분을 낮게 하고 에지부분을 높게 하는 제4방법을 이용한다.

본 발명은 X 방향 스캔방식 또는 Y 방향 스캔방식을 이용하여 불균일하게 이온주입하는 방법외에도 이온주입시 적용하는 이온주입스크린층(Implant screen layer)을 불균일하게 형성할 수도 있다.

즉, 이온주입스크린층은 산화막, 질화막 또는 산화막과 질화막의 조합으로 적층한다.

또한, 불균일 이온주입 공정의 도즈산포를 구조 의존(structure dependant) 개념으로 적용할 수 있다.

도 5는 종래기술과 본 발명의 실시예에 따른 문턱전압 산포를 비교한 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 종래기술은 낮은 문턱전압산포를 가짐에 따라 오프누설페일(off leakage fail)이 발생하고, 또한 높은 문턱전압산포를 가짐에 따라 tWR 페일(fail)이 발생하였다.

하지만, 본 발명은 문턱전압산포를 개선하여, 즉 웨이퍼의 중앙부분과 웨이퍼의 에지부분에서의 CD 산포에 의한 문턱전압차이를 보상시켜주므로써 종래기술과 같은 오프누설페일이나 tWR 페일을 방지한다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 본 발명은 불균일 이온주입법을 적용하므로써 웨이퍼의 중앙 대 에지간 소자특성을 균일하게 만들어 줄 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명을 적용하는 경우 10% 정도의 마진 페일 개선이 가능한 효과가 있다.

Claims

X 방향으로 왕복스캔하는 것과 상기 X 방향과 직교하는 Y 방향으로 왕복스캔하는 것을 병용하여, 기판의 전면에 이온주입을 행하는 이온주입방법에 있어서,

X 방향 스캔속도와 Y 방향 스캔속도 중 어느 하나를 웨이퍼의 중앙부위와 에지부위에서 달리하면서 이온주입하여 웨이퍼의 중앙부위와 에지부위에서 이온주입도즈량을 불균일하게 하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 이온주입방법.
제1항에 있어서,

상기 이온주입은,

상기 웨이퍼의 중앙부위의 도즈량을 높게 하고, 상기 웨이퍼의 에지부위의 도즈량을 낮게 하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 이온주입방법.
제1항에 있어서,

상기 이온주입은,

상기 웨이퍼의 중앙부위의 도즈량을 낮게 하고, 상기 웨이퍼의 에지부위를 도즈량을 높게 하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 이온주입방법.
제2항 또는 제3항에 있어서,

상기 이온주입은,

상기 도즈량 분포가 원형, 사각형, 좌우대칭형 또는 상하대칭형 분포를 이루도록 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 이온주입방법.
X 방향으로 왕복스캔하는 것과 상기 X 방향과 직교하는 Y 방향으로 왕복스캔하는 것을 병용하여, 기판의 전면에 이온주입을 행하는 이온주입방법에 있어서,

X 방향 스캔속도와 Y 방향 스캔속도를 각각 웨이퍼의 중앙부위와 에지부위에서 달리하면서 이온주입하여 웨이퍼의 중앙부위와 에지부위에서 이온주입도즈량을 불균일하게 하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 이온주입방법.
제5항에 있어서,

상기 이온주입은,

상기 웨이퍼의 중앙부위의 도즈량을 높게 하고, 상기 웨이퍼의 에지부위의 도즈량을 낮게 하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 이온주입방법.
제5항에 있어서,

상기 이온주입은,

상기 웨이퍼의 중앙부위의 도즈량을 낮게 하고, 상기 웨이퍼의 에지부위를 도즈량을 높게 하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 이온주입방법.
제6항 또는 제7항에 있어서,

상기 이온주입은,

상기 도즈량 분포가 원형, 사각형, 좌우대칭형 또는 상하대칭형 분포를 이루도록 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 이온주입방법.