KR100720396B1 - 중성빔을 이용한 이온 주입 장치 및 이온 주입 방법 - Google Patents
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Abstract
중성빔을 이용한 이온 주입 장치 및 이온 주입 방법에 관한 것으로, 이온빔을 생성하기 위한 가스를 주입하는 이온빔 발생 가스 주입구, 이온빔 발생 가스 주입구를 통해 도입된 가스로부터 극성을 갖는 이온빔을 생성하는 이온 소스부, 이온 소스부의 한쪽 단부에 마련된 그리드 어셈블리, 그리드 어셈블리에 대응하여 마련되어 이온빔을 중성빔으로 전환시키는 반사체 및 중성빔의 진행 경로 상에 피처리 기판을 위치시키는 스테이지를 포함하고, 중성빔이 상기 피처리 기판으로 주입되는 구성을 마련한다.
상기와 같은 중성빔을 이용한 이온 주입 장치 및 이온 주입 방법을 이용하는 것에 의해, 웨이퍼 상의 이온 주입시 물리적, 전기적 손상을 매우 많이 주게 됨으로써 디바이스 특성의 저하 및 소멸을 가져오게 된다는 문제를 해소할 수 있다.
기판, 반도체, 주입, 중성빔, 반사판
Description
도 1은 종래의 이온 주입장치를 나타내는 도면,
도 2는 도 2는 본 발명에 따른 중성빔을 이용한 이온 주입 장치를 나타내는 도면,
도 3은 도 2의 중성빔 주입장치를 이용하여 표면 처리후의 변화를 TOF-SIMS 데이터를 이용하여 알아본 결과를 나타내는 도면,
도 4는 도 2의 중성빔 주입장치를 이용하여 시간과 전압에 따른 SiN의 정량분석을 해본 결과를 나타내는 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 이온 소스부 101 : 이온빔
200 : 유도 코일 300 : 전자석부
400 : 그리드 401 : 홀
500 : 반사체 102 : 중성빔
본 발명은 중성빔을 이용한 이온 주입 장치 및 이온 주입 방법에 관한 것으로, 특히 이온 주입 장치의 경우 이온 빔의 전하(charge)에 의한 웨이퍼 및 그 처리 장치의 손상을 방지할 수 있는 중성빔을 이용한 이온 주입 장치 및 이온 주입 방법에 관한 것이다.
통상적으로 이온 주입장치는 반도체 제조공정에서 소정의 화학적 종(種)의 이온을 반도체 웨이퍼에 주입하는데 이용된다.
또한, 이러한 이온 주입장치는, 다수의 반도체 웨이퍼를 회전 디스크 원주 주위에 위치시키고, 모든 반도체 웨이퍼가 고속으로 주사되도록 상기 디스크를 회전시키고, 각각의 반도체 웨이퍼가 저속에서 주사되도록, 회전 디스크의 방사상 방향에서 이온 빔의 상대 운동을 비교적 저속으로 함으로써, 주입을 효율적으로 수행하는 소위 " 기계적 주사 시스템(mechanical scanning system)" 을 지닌 이온 주입장치를 포함한다.
즉 이온 주입 장치는 이온화된 도펀츠(dopants)를 고속으로 가속시켜서 웨이퍼 표면에 주입시키는 장치이다. 반도체 제조 공정에서의 이온 주입은 부도체인 웨이퍼에 전기적 특성을 가진 원자 이온을 웨이퍼의 표면을 뚫고 들어갈 만큼 큰 에너지를 갖게 하여 웨이퍼 속으로 주입시키는 것이다.
이러한 이온 주입 장치는 3개의 챔버로서 구분할 수가 있다.
즉 빔을 발생시키는 소스 챔버, 발생시킨 빔을 필요로 하는 위치에까지 전달하는 빔 라인 챔버와 전달되는 레이저 빔을 이용하여 웨이퍼에 필요로 하는 패턴으 로 이온을 주입하게 되는 공정 챔버로서 이루어진다.
이러한 소스 챔버, 빔 라인 챔버와 공정 챔버에는 각각 내부를 진공의 상태가 되도록 하는 터보 펌프가 각각 구비되도록 하고, 소스 챔버와 빔라인 챔버 간 그리고 빔 라인 챔버와 공정 챔버의 사이로도 각각 이들 간을 단속하는 차단 밸브가 구비되도록 하고 있다.
최근, 이온 주입장치에서, 이온 주입시간을 짧게 함으로써 반도체장치의 생산성을 향상시키기 위해 이온 빔 전류의 증대가 요구되어 왔다. 기계적 주사 시스템을 지닌 상기한 이온 주입장치는 이러한 대전류 이온 빔(large-current ion beam)을 취급할 수 있는 이온 주입장치로서 기대되고 있었다.
그러나, 대전류 이온 빔을 이용하는 경우, 이온 빔에 의해 반도체 웨이퍼 이외의 부분(예를 들어, 회전 디스크)에 조사되어, 그 결과 발생되는 스퍼터링(sputtering)에 의해 불순물 입자가 생성된다. 이 불순물 입자는 의도하는 이온과 혼합되고, 반도체 웨이퍼에 부착되어서 상기 반도체 웨이퍼가 오염된다.
또한, 특정 이온이 주입된 후, 주입되는 이온의 화학적 종이 변경되는 경우에, 이전에 주입된 성분에 의한 교차오염(cross contamination)이 발생한다고 알려져 있다.
이러한 오염 또는 교차오염을 방지하기 위하여 여러 방법이 제안되어 왔다.
대한민국 공개 특허 공보1996-0002543호(공개일자 1996년01월26일)에는 이러한 제안 중의 하나로서 이온 주입 장치 및 방법에 대해 개시되어 있다.
도 1은 상기 공보에 개시된 이온 주입장치의 전체 구조의 개략도이다.
도 1에 도시된 이온 주입장치는 이온 공급원(ion source)으로부터 이온 빔(10)을 안내하는 안내 챔버(12), 안내 챔버(12)로부터의 이온 빔(10)이 반도체 웨이퍼에 주입되는 처리 챔버(13)를 구비한다.
도 1에 도시된 디스크(15)는 처리 챔버(13) 내부에 설치되고, 이 디스크(15)는 고속 주사 구동기구(16)에 의해 회전축 주위로 고속으로 회전하며, 이 회전에 의해 디스크(15)의 원주 주위에 위치한 반도체 웨이퍼는 고속으로 주사된다.
또한 저속 주사 구동기구(17)가 구성되어 저속 주사동작을 제어한다.
패러데이 컵(Faraday cup)(20)으로 통상 알려진 빔 전류 측정장치는 처리 챔버(13) 내에 설치된 디스크(15) 뒤에(즉,이온 빔에 의해 방사되는 측으로부터의 상기 디스크의 대향 측 상에) 위치해 있고, 디스크(15)를 통과하는 이온 빔의 전하는 이 빔 전류 측정장치(20)에 의해 측정되고, 이 측정에 의해 이온이 균등하게 주입되도록 디스크(15)의 속도를 제어한다.
상술한 바와 같은 종래 이온 주입법은 주로 실리콘 웨이퍼 내부로 불순물 원자들을 도입할 때 같은 목적의 확산보다 편리한 점이 많아 집적회로를 만들 때 꼭 필요한 기술이다.
이러한 이온 주입법의 첫 번째 장점으로는 표적 웨이퍼를 공정 시 비교적 낮은 온도에서 유지시킬 수 있어 확산에 의한 불순물의 원치 않는 퍼짐을 방지하며, 이는 VLSI(Very Large Scale Integrated Circuit, 초고밀도 집적회로) 제조에서 매 우 중요하다.
두 번째 장점으로는 확산으로 가능한 것보다 더욱 넓은 범위의 불순물 종을 사용할 수 있다는 것이다. 원칙적으로는 소스에서 이온화될 수 있는 원소는 어떤 것이라도 웨이퍼 내부로 주입되어 들어갈 수 있기 때문이다. 따라서 이온 주입법은 바이폴라와 MOS 집적회로 제조에 보편적으로 사용되고 있다.
그러나, 상술한 문헌 등에 개시된 종래의 이온 주입법 기술에 있어서는 그 장치가 복잡하고 바이폴라와 MOS 소자에 적용하는 경우, 전하에 취약한 공정 등에서 디바이스 특성이 저하한다는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 간단한 중성빔 주입 장치를 통하여 발생된 중성빔을 사용함으로써 전기적 물리적 손상이 없이 바이폴라와 MOS 소자 등에 주입 공정을 수행할 수 있는 중성빔을 이용한 이온 주입 장치 및 이온 주입 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 낮은 각도(low angle)의 반사판을 갖춘 중성빔 주입장치를 보다 간단히 구성함으로써 장치가 점하는 공간을 전기적 물리적 손상이 없이 바이폴라와 MOS 소자 등에 주입 공정을 수행할 수 있는 중성빔을 이용한 이온 주입 장치 및 이온 주입 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 중성빔을 이용한 이온 주입 장치는 이온빔을 생성하기 위한 가스를 주입하는 이온빔 발생 가스 주입구, 상기 이온 빔 발생 가스 주입구를 통해 도입된 가스로부터 극성을 갖는 이온빔을 생성하는 이온소스부, 상기 이온소스부의 한쪽 단부에 마련된 그리드 어셈블리, 상기 그리드 어셈블리에 대응하여 마련되어 상기 이온빔을 중성빔으로 전환시키는 반사체 및 상기 중성빔의 진행 경로 상에 피처리 기판을 위치시키는 스테이지를 포함하고, 상기 중성빔이 상기 피처리 기판으로 주입되는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 중성빔을 이용한 이온 주입 장치에 있어서, 상기 이온빔 발생 가스 주입구를 통해 도입된 가스는 비소, 인 등의 P형 불순물을 포함하는 가스인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 중성빔을 이용한 이온 주입 장치에 있어서, 상기 이온빔 발생 가스 주입구를 통해 도입된 가스는 Si의 질화물화를 위한 N2, 인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 중성빔을 이용한 이온 주입 장치에 있어서, 상기 피처리 기판은 바이폴라 소자 또는 MOS 소자용인 것을 특징으로 한다.
또 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 중성빔을 이용한 이온 주입 방법은 이온빔을 생성하기 위한 가스를 주입하는 단계, 주입된 가스로부터 극성을 갖는 이온빔을 생성하는 단계, 상기 이온빔을 중성빔으로 전환시키는 단계, 상기 중성빔을 피처리 기판으로 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
이하, 본 발명에 따른 중성빔을 이용한 이온 주입 장치의 구성을 도면에 따라서 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 중성빔을 이용한 이온 주입 장치이다. 본 발명에 따른 중성빔을 이용한 이온 주입 장치는 일정한 극성을 갖는 이온빔(101)을 추출하여 가속시킬 수 있는 이온 소스부(100), 이온 소스부(100)의 외주연에 따라 권회되어 마련된 다수의 유도코일(200), 다수의 유도 코일(200)에 전자장을 부가하는 전자석부(300), 이온 소스부(100)의 말단에 위치하며, 이온빔이 통과하는 복수 개의 그리드 홀(401)이 각각 형성된 다수의 그리드(400), 그리드(400)와 밀착되어 있으며, 그리드(400) 내의 그리드 홀(401)에 대응하는 복수 개의 반사판(501)이 형성되어 있으며, 그리드 홀(401)을 통과한 이온빔을 반사판(501) 내에서 반사시켜 중성빔으로 전환시켜 주는 반사체(500) 및 중성빔(102)의 진행경로 상에 피처리 기판인 웨이퍼(1000)을 위치시킬 수 있는 스테이지를 포함한다.
반사체(500)와 스테이지 사이에는 리타딩 그리드가 더 설치되어 중성빔의 방향성 및 가속 에너지를 제어할 수도 있다.
한편, 그리드 홀(401)들의 직경에 비하여 반사판(501)들의 직경이 같거나 더 크도록 구성되는 것이 바람직하다. 또, 그리드(400)는 원통형으로 구성되며 그의 후단부에는 가장자리를 따라 돌출부가 형성되며, 반사체(500)는 원통형으로 구성되며 그의 전단부에는 그리드(400)의 돌출부에 내삽될 수 있는 돌출부가 형성될 수 있다.
한편, 그리드 홀(401)들을 통과하여 직진하는 이온빔(101)이 반사판(501) 내에서 반사되도록, 복수의 반사판(501)들은 이온빔(101)의 직진 방향에 대하여 일정한 각도로 경사져 있으며, 반사판(501)들이 반사체(500) 내에서 반사체의 중심선에 대하여 일정한 각도로 경사져 있거나 반사체(500) 내에서 반사체의 중심선에 대하여 평행하게 형성되어 있으며, 반사체(500)의 외주를 따라 돌출부의 돌출 높이가 일정한 각도로 경사지도록 구성하여도 좋다.
본 발명에 있어서 이온 소스부(100)는 다양한 형태의 이온소스를 사용할 수 있으나, 바람직하게는 유도결합형 플라즈마 소스를 사용한다. 반사체(400)의 재질은 반도체기판, 이산화규소 또는 금속기판으로 이루어질 수 있으며, 반사체(400) 내의 반사체 홀(401)의 표면에 입사되는 이온빔의 입사각이 5°내지 15°의 범위가 되도록 구성하면 좋다.
본 발명에 따르면, 이온빔을 발생시킬 수 있는 이온 소스부(100)와 피처리 기판(1000)이 안착되는 스테이지 사이에 이온빔을 적절한 입사각으로 반사시킬 수 있는 반사체(500)를 구비함으로써 간단한 방법에 의하여 손쉽게 중성빔(102)을 얻을 수 있으며, 이를 이온 주입원으로 사용하기 때문에 종래 이온빔에 의해 발생하던 피처리 기판(1000)에 대한 전기적, 물리적 손상이 없이 나노 미터급의 반도체소자에 대한 주입공정을 용이하게 수행할 수 있으며, 대면적화도 용이하게 된다.
본 발명에 있어서 적용가능한 가스는 대표적으로 비소, 인 등의 P형 불순물을 포함하는 가스, Si의 질화물화를 위한 N2, 등이며, 원칙적으로는 이온소스에서 이온화될 수 있는 가스가 모두 해당될 수 있다. 즉,이온화된 원소는 어떤 종이라도 웨이퍼 내부로 주입되어 들어갈 수 있기 때문이다.
또 본 발명에 따르면, 이온 소스부(100)의 후단에 있는 그리드(400)와 반사체(500)를 밀착시킴으로서 불필요한 방향으로 진행되는 이온빔(101)의 누출을 차단하여 오염발생을 현저히 줄일 수 있으며, 그에 따라 중섬빔(102)의 플럭스가 현저히 증가되고, 반사체가 차지하는 공간면적을 줄일 수 있어서 주입 장치의 소형화와 원가절감을 달성할 수 있다.
또한, 전압인가에 의해 이온빔을 가속시킬 수 있으며, 동시에 이온빔이 통과될 수 있는 복수 개의 그리드 홀이 형성된 그리드 어셈블리에 대해서는 본 출원인의 등록특허 제0380660호 등에 구체적으로 개시되어 있으므로 그 설명은 생략한다.
다음에 도 2에 도시된 중성빔 주입 장치에 의해 피처리 기판인 웨이퍼에 이온을 주입하는 방법에 대해 설명한다.
중성빔 주입 장치에서는 도시하지 않은 이온빔 발생 가스 주입구를 통해 이온빔을 생성하기 위한 가스가 주입된다. 이 이온빔 발생 가스 주입구를 통해 주입된 이온 가스는 이온소스부(100)에서 극성을 갖는 이온빔으로 생성되며, 생성된 이온빔은 그리드(400) 및 반사체(500)에서 중성빔으로 전환된다.
이 중성빔은 피처리 기판인 웨이퍼(1000)으로 주입된다.
도 3은 도 2의 중성빔 주입장치를 이용하여 표면 처리후의 변화를 TOF-SIMS (time-of-flight secondary ion mass spectrometry)데이터를 이용하여 알아본 결과 이다. 즉, N2 중성빔 표면처리후의 TOF-SIMS 데이타로서 시간에 따라 Si에 N가 침투하여 결함했음을 알 수 있다.
도 4는 도 2의 중성빔 주입장치를 이용하여 시간과 전압에 따른 SiN의 정량분석을 해본 결과이다. 에너지가 높을수록 같은 시간 동안 더 많은 N이 침투되었음을 알 수 있으며, 중성빔에 의해 충분히 N 침투로 인한 SiN 막이 형성되었음을 알 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 중성빔을 이용한 이온 주입 장치 및 이온 주입 방법에 의하면, 기존의 이온 주입법의 장점에 낮은 각도(low angle)의 반사판을 갖춘 중성빔 발생장치로 추출된 이온을 중성빔으로 변환시켜 웨이퍼 상의 소자에 주입하므로 전하(charge)에 의한 소자 손상을 최소화시켜 소자 특성을 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.
또 본 발명에 따른 중성빔을 이용한 이온 주입 장치 및 이온 주입 방법에 의하면, 웨이퍼 상의 이온 주입시 물리적, 전기적 손상을 매우 많이 주게 됨으로써 디바이스 특성의 저하 및 소멸을 가져오게 된다는 문제를 해소할 수 있다는 효과도 얻어진다.
Claims (7)
- 이온빔을 생성하기 위한 가스를 주입하는 이온빔 발생 가스 주입구,상기 이온빔 발생 가스 주입구를 통해 도입된 가스로부터 극성을 갖는 이온빔을 생성하는 이온소스부,상기 이온소스부의 한쪽 단부에 마련된 그리드 어셈블리,상기 그리드 어셈블리에 대응하여 마련되어 상기 이온빔을 중성빔으로 전환시키는 반사체 및상기 중성빔의 진행 경로 상에 피처리 기판을 위치시키는 스테이지를 포함하고,상기 중성빔이 상기 피처리 기판으로 주입되는 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 이온 주입 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 이온빔 발생 가스 주입구를 통해 도입된 가스는 비소 또는 인의 P형 불순물을 포함하는 가스인 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 이온 주입 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 이온빔 발생 가스 주입구를 통해 도입된 가스는 Si의 질화물화를 위한 N2 인 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 이온 주입 장치.
- 제 2항 또는 제 3항에 있어서,상기 피처리 기판은 바이폴라 소자 또는 MOS 소자용인 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 이온 주입 장치.
- 이온빔을 생성하기 위한 가스를 주입하는 단계,주입된 가스로부터 극성을 갖는 이온빔을 생성하는 단계,상기 이온빔을 중성빔으로 전환시키는 단계,상기 중성빔을 피처리 기판으로 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 이온 주입 방법.
- 제 5항에 있어서,상기 가스는 이온빔 발생 가스 주입구를 통해 주입되며, 비소 또는 인의 P형 불순물을 포함하는 가스인 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 이온 주입 방법.
- 제 5항에 있어서,상기 가스는 이온빔 발생 가스 주입구를 통해 주입되며, Si의 질화물화를 위한 N2 인 것을 특징으로 하는 중성빔을 이용한 이온 주입 방법.
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| KR19990039596A (ko) * | 1997-11-13 | 1999-06-05 | 윤종용 | 이온주입장치 |
| KR20030042958A (ko) * | 2001-11-26 | 2003-06-02 | 학교법인 성균관대학 | 중성빔을 이용한 식각장치 |
| KR20060099104A (ko) * | 2005-03-10 | 2006-09-19 | 삼성전자주식회사 | 중성빔 입사 장치 |
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Patent Citations (3)
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