KR101017335B1 - 이온 빔 조사 장치 및 반도체 디바이스 제조 방법 - Google Patents

이온 빔 조사 장치 및 반도체 디바이스 제조 방법 Download PDF

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야스히토 고토
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고쿠리츠 다이가쿠 호진 교토 다이가쿠
닛신 이온기기 가부시기가이샤
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Abstract

본 발명에 따른 이온 빔 조사 장치는 이온 빔(2)의 경로 근처에 배치되며 전자(12)를 방출하는 전계 방출용 전자원(10)을 갖는다. 전계 방출용 전자원(10)은 이 전계 방출용 전자원(10)으로부터 방출된 전자(12)에 의해 형성된 입사각의 방향에 배치되고, 이온 빔(2)의 진행 방향과 평행한 방향은 -15°내지 +45°의 범위에 있다[이온 빔(2)의 내측 방향이 +이고 외측 방향이 -이다.

Description

이온 빔 조사 장치 및 반도체 디바이스 제조 방법{ION BEAM IRRADIATING APPARATUS, AND METHOD OF PRODUCING SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 이온 소스(ion source)로부터 인출한 이온 빔(본 명세서에서는, 플러스 이온 빔)을 타겟에 조사하여, 이온 주입 또는 다른 처리를 행하는 이온 빔 조사 장치, 및 이온 빔 조사 장치를 이용하여 반도체 디바이스를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이온 주입을 행하는 경우에, 이온 빔 조사 장치는 이온 주입기라고도 불린다.
이온 소스로부터 인출한 이온 빔을 타겟에 조사하여 이온 주입 또는 다른 처리를 행하는 이온 빔 조사 장치에 있어서, 장치의 작업 처리량을 향상시키고, 타겟상에 형성되는 반도체 디바이스의 소형화에 대응하기 위해서 이온 주입 깊이를 얕게 하는 등의 관점에서 저에너지 및 대(大)전류 이온 빔을 효율적으로 수송하는 것이 바람직하다.
그러나, 이온 빔의 에너지가 낮아지고 이온 빔의 전류가 더 커질수록, 공간 전하에 기인한 이온 빔의 발산이 더 증가하므로, 이온 빔의 효율적인 수송이 어려워진다. 이 문제를 해결하기 위한 하나의 기술로서, 외부로부터 수송되는 이온 빔으로 전자를 공급하여, 이온 빔의 공간 전하를 전자에 의해 중화하는 기술이 알려 져 있다.
이 경우, 공급된 전자에 의해 타겟의 표면에 마이너스 대전을 억제하는 등의 이유 때문에 다량의 저에너지 전자를 발생시킬 수 있는 전자원을 이용하는 것이 바람직하다.
다량의 저에너지 전자를 발생시킬 수 있는 전자원으로서, 일본 특허 공개 제2005-26189호(단락 0007 내지 0009, 도 1)(이하, 특허문헌1로 언급함)에 전계 방출형 전자원이 개시되어 있다. 즉, 공보에는 다량의 저에너지 전자를 발생시킬 수 있는 전계 방출형 전자원을 타겟 근처에 배치하여, 전계 방출형 전자원으로부터 방출된 전자를 이온 빔의 측면으로부터 이온 빔 상에 거의 직각으로 입사되도록 하여, 이온 빔 조사시 타겟의 표면의 대전(차지업)을 억제하는 기술이 개시되어 있다.
특허문헌1에 개시된 타겟 표면의 대전 억제와 이온 빔의 공간 전하의 중화는 목적이 다른 기술이지만, 발명자들은, 예컨대 특허문헌1에 개시된 전계 방출형 전자원이 이온 빔의 공간 전하의 중화에 이용된다는 것을 착상, 연구하였다.
그러나, 특허문헌1에 개시된 기술과 같은 방법으로, 전계 방출형 전자원으로부터 방출된 전자가 이온 빔의 측면으로부터 이온 빔 상에 거의 직각으로 입사되어도, 이온 빔의 공간 전하의 중화 및 이온 빔의 발산의 억제의 효과는 작다.
이것은 하기의 이유 때문이다. 전술한 바와 같이 전자가 입사되더라도, 대부분의 전자는, 전자의 운동에너지 및 이온 빔의 플러스 빔 전위에 기인한 가속에 의해 이온 빔을 통과하거나 이온 빔을 넘어서도록 이동한다. 그러므로, 이온 빔 내의 전자의 존재 가능성은 낮다. 따라서, 이온 빔의 공간 전하의 효율적인 중화는 어렵다.
따라서, 본 발명의 목적은, 전계 방출형 전자원을 사용하며 이온 빔의 공간 전하의 효율적인 중화 및 공간 전하에 기인한 이온 빔의 발산의 효과적인 억제를 할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 양태의 이온 빔 조사 장치는 이온 빔의 경로 근방에 배치되고 전자를 방출하는 전계 방출형 전자원으로서, 도전성 캐소드 기판상에 형성되며 침형인 다수의 미소한 에미터, 및 미소 간극을 형성하며 이 에미터의 선단 부근 각각을 둘러싸는 인출 전극을 갖는 전계 방출형 전자원을 포함하고, 전계 방출형 전자원은 전자원(10)으로부터 방출된 전자에 의해 형성된 입사각에 따른 방향에 배치되고, 이온 빔의 진행 방향과 평행한 방향은 -15°내지 +45°의 범위 내에 있다(이온 빔의 내측 방향이 +이고, 외측 방향이 -이다).
전계 방출형 전자원은 전술한 방향에 배치되어, 이온 빔에 대한 전계 방출형 전자원으로부터 방출된 전자의 입사각이 전술한 범위로 설정되는 경우, 이온 빔 내의 전자의 존재 가능성이 증가된다. 결과적으로, 이온 빔의 공간 전하는 효율적으로 중화될 수 있고 공간 전하에 기인한 이온 빔의 발산을 효과적으로 억제할 수 있다.
본 발명의 제2 양태에서, 입사각은 -15°내지 +30°의 범위 내인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 본 발명의 제3 양태에서, 입사각은 거의 0°내지 +15°의 범위 내이다. 가장 바람직하게는, 본 발명의 제4 양태에서, 입사각은 거의 0°이다.
본 발명의 제5 양태에서, 전계 방출형 전자원은 전자가 이온 빔의 진행 방향의 하류측을 향해서 방출되는 방향에 배치될 수도 있다. 다른 방법으로는, 본 발명의 제6 양태에서, 전계 방출형 전자원은 전자가 이온 빔의 진행 방향의 상류측을 향해서 방출되는 방향에 배치될 수도 있다.
전계 방출형 전자원은 이온 빔의 경로의 한 쪽에 배치될 수도 있다. 다른 방법으로는, 본 발명의 제7 양태에서, 전계 방출형 전자원은 이온 빔의 경로의 양측에 배치될 수도 있다.
본 발명의 제8 양태에서, 전계 방출형 전자원의 위치에서, 이온 빔은 그 진행 방향 X와 교차하는 면내에서의 Y 방향의 치수가 해당 Y 방향과 직교하는 Z 방향의 치수보다도 큰 형상인 경우, 전계 방출형 전자원은 Y 방향으로 연장된 형상인 것이 바람직하다.
본 발명의 제9 양태에서, 타겟은 반도체 기판이고, 반도체 기판에 이온 빔 조사 장치를 이용하여 이온 빔을 조사하여 이온 주입을 행하고, 반도체 기판상에 복수의 반도체 디바이스를 제조할 수 있다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 전계 방출형 전자원이 전술된 방향으로 배치되고, 이온 빔에 대한 전계 방출형 전자원으로부터 방출되는 전자의 입사각이 전술된 범위 내에서 설정되는 경우, 이온 빔에서의 전자의 존재 가능성이 증가된다. 따라서, 이온 빔의 공간 전하는 효율적으로 중화될 수 있고, 공간 전하에 기인한 이온 빔의 발산은 효과적으로 억제될 수 있다. 결과적으로, 이온 빔의 수송 효율이 향상될 수 있다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 입사각이 전술한 범위 내에 설정되는 경우, 이온 빔의 공간 전하는 전계 방출형 전자원으로부터 방출된 전자에 의해 보다 효율적으로 중화되고, 공간 전하에 기인한 이온 빔의 발산이 보다 효과적으로 억제될 수 있다. 결과적으로, 이온 빔의 수송 효율이 보다 향상될 수 있다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 입사각이 전술한 범위 내에 설정되는 경우, 이온 빔의 공간 전하는 전계 방출형 전자원으로부터 방출된 전자에 의해 더 효율적으로 중화되고, 공간 전하에 기인한 이온 빔의 발산은 더 효과적으로 억제될 수 있다. 결과적으로, 이온 빔의 수송 효율이 더 향상될 수 있다.
본 발명의 제4 양태에 따르면, 입사각이 거의 0°인 경우, 이온 빔의 공간 전하는 전계 방출형 전자원으로부터 방출된 전자에 의해 더 효율적으로 중화되고, 공간 전하에 기인한 이온 빔의 발산은 더 효과적으로 억제될 수 있다. 결과적으로, 이온 빔의 수송 효율이 더 향상될 수 있다.
본 발명의 제5 양태에 따르면, 전계 방출형 전자원을 하류측을 향한 방향으로 배치하는 경우, 전계 방출형 전자원은 타겟으로부터 상류측으로 분리되어 배치될 수 있어서, 이온 빔의 발산은 타겟까지 긴 거리에 걸쳐 효과적으로 억제될 수 있다.
본 발명의 제6 양태에 따르면, 전계 방출형 전자원은 상류측을 향한 방향으로 배치되는 경우, 이온 빔의 공간 전하는 전계 방출형 전자원으로부터 방출된 전자에 의해 효율적으로 중화될 수 있고, 공간 전하에 기인한 이온 빔의 발산을 효과적으로 억제시킬 수 있다. 또한, 전계 방출형 전자원으로부터 방출된 전자는 타겟에 거의 입사되기 어렵다. 따라서, 전자에 의해 타겟의 표면의 마이너스 대전을 억제할 수 있다고 하는 추가의 효과를 얻는다. 전계 방출형 전자원으로부터 방출된 전자의 에너지가 너무 낮지 않은 경우 특히 효과적이다.
본 발명의 제7 양태에 따르면, 전계 방출형 전자원은 이온 빔의 경로의 양측에 배치될 수 있어서, 전자가 이온 빔의 양측으로부터 이온 빔에 공급될 수 있다. 따라서, 이온 빔의 공간 전하가 더 효율적으로 중화되고, 공간 전하에 기인한 이온 빔의 발산이 더 효과적으로 억제될 수 있다.
본 발명의 제8 양태에 따르면, 전계 방출형 전자원은 Y 방향으로 연장되는 형태를 갖는다. 이온 빔이 Y 방향의 스캔을 통해 혹은 통하지 않고 Y 방향으로 연장된 형상을 하고 있어도 이온 빔의 공간 전하는 이온 빔의 더 넓은 영역에 걸쳐 보다 효율적으로 중화될 수 있다.
본 발명의 제9 양태에 따르면, 복수의 반도체 디바이스는 공간 전하를 중화하며 적게 발산하는 이온 빔을 이용하여 반도체 기판상에 제조될 수 있다. 따라서 균일한 특성을 갖는 복수의 반도체 디바이스는 동일한 반도체 기판상에 제조될 수 있다. 결과적으로, 수율이 향상되고 반도체 디바이스의 생산 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 이온 빔 조사 장치의 실시예를 도시하는 개략 측면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전계 방출형 전자원과 이온 빔의 예를 선 A-A 방향으 로 보아 도시하는 정면도이다.
도 3은 전원의 일례와 함께 하나의 인출 전극형의 전계 방출형 전자원의 하나의 에미터 근방을 확대하여 도시하는 다이어그램이다.
도 4는 전원의 일례와 함께 두개의 인출 전극형의 전계 방출형 전자원의 하나의 에미터 근방을 확대하여 도시하는 다이어그램이다.
도 5는 이온 빔에 대한 전계 방출형 전자원으로부터 방출한 전자의 입사각을 예시하는 다이어그램이다.
도 6은 본 발명의 이온 빔 조사 장치의 다른 실시예를 도시하는 개략적인 측면도이다.
도 7은 전자를 공급하지 않은 경우 공간 전하에 기인하여 이온 빔의 발산의 시뮬레이션 결과의 예를 도시하는 도면이다.
도 8은 전자를 공급하는 경우 이온 빔을 중화하는 시뮬레이션의 초기 조건을 보여주는 도면이다.
도 9는 전자를 89°의 입사각으로 이온 빔에 공급하는 경우 전자의 궤도 및 이온 빔의 발산을 시뮬레이션한 결과의 일례를 도시하는 도면이다.
도 10은 전자를 30°의 입사각으로 이온 빔에 공급하는 경우 전자의 궤도 및 이온 빔의 발산을 시뮬레이션한 결과의 일례를 도시하는 도면이다.
도 11은 전자를 15°의 입사각으로 이온 빔에 공급하는 경우 전자의 궤도 및 이온 빔의 발산을 시뮬레이션한 결과의 일례를 도시하는 도면이다.
도 12는 전자를 0°의 입사각으로 이온 빔에 공급하는 경우 전자의 궤도 및 이온 빔의 발산을 시뮬레이션한 결과의 일례를 도시하는 도면이다.
도 13은 전자를 -15°의 입사각으로 이온 빔에 공급하는 경우 전자의 궤도 및 이온 빔의 발산을 시뮬레이션한 결과의 일례를 도시하는 도면이다.
도 14는 전자의 입사각에 대하여 X= 350 ㎜의 위치에서 이온 빔의 직경을 통합적으로 도시하는 도면이다.
[도면 부호의 설명]
1 이온 소스
2 이온 빔
4 타겟
6 홀더
10 전계 방출형 전자원
12 전자
16 캐소드 기판
18 에미터
θ 입사각
도 1은 본 발명의 이온 빔 조사 장치의 실시예를 도시하는 개략도이다. 이온 빔 조사 장치는 홀더(6)에 의해 유지된 타겟(4)을 이온 소스(1)로부터 인출된 이온 빔(2)으로 조사하여 이온 주입과 같은 처리를 타겟(4)에 행하도록 구성된다. 홀더(6)는 예컨대 접지 전위에 있다. 이온 빔(2)의 수송 경로 및 홀더(6)는 도시되지 않은 진공 챔버 내에 배치되어 진공 대기 내에 있게 된다. 예컨대 타겟(4)은 반도체 기판, 유리 기판 등이다.
이온 소스(1)로부터 홀더(6)까지 연장된 이온 빔(2)의 수송 경로에서, 필요에 따라, 이온 빔(2)의 질량을 분리하는 질량 분리기, 이온 빔(2)의 스캔 동작을 하는 스캐너 등이 배치된다.
전자(12)를 방출하는 전계 방출형 전자원(10)은 이온 빔(2)의 경로 근방에 배치된다. 이 실시예에서, 전계 방출형 전자원(10)은 전자(12)가 이온 빔(2)의 진행 방향(X)의 하류측을 향해서 방출되는 방향으로 배치된다. 전계 방출형 전자원(10)은 이온 빔(2)의 경로의 양측(Z 방향의 양측)에 배치된다.
전계 방출형 전자원(10)의 위치에서, 이온 빔(2)은 스폿형 섹션 형상 또는 도 2에 도시된 예와 같이 리본형(또한 시트형 또는 스트립형이라 불리는) 형상일 수도 있고, 이온 빔(2)의 진행 방향 X와 교차하는 면내에서의 Y 방향의 치수가 해당 Y 방향과 교차하는 Z 방향의 치수보다도 크다(보다 구체적으로는, 충분히 크다). 리본 형상은 종이처럼 얇은 형상을 의미하는 것은 아니다.
리본형 이온 빔(2)은 도 2에 도시된 바와 같이 Y 방향으로 스폿형 이온 빔(2a)을 왕복 스캔함으로써 리본형이 될 수도 있고, 또한 이온 빔이 스캔하는 일 없이, 이온 소스(1)로부터 인출되는 상태의 리본 형상일 수도 있다.
본 실시예에서, 타겟(4)은 홀더(6)와 함께 타겟 구동 장치(8)에 의해 Y 방향과 교차하는 방향(즉, Z 방향을 따른 방향, 또는 그것으로부터 경사진 방향)으로 기계식으로 왕복 구동된다. 이온 빔(2)의 Y 방향으로의 폭은, 타겟(4)의 동일 방향 의 폭보다 약간 크다. 이것과 전술된 왕복 구동은 타겟(4)의 전체면이 이온 빔(2)으로 조사되도록 할 수 있다.
Y 방향은 수평 방향, 수직 방향 또는 이들로부터 경사진 방향이 될 수도 있다.
전계 방출형 전자원(10)의 일부를 확대하여 도시한 도 3에 도시된 바와 같이, 전계 방출형 전자원(10)은, 도전성 캐소드 기판(16), 이 캐소드 기판(16)의 표면에 형성되며 침형인 다수의 미소한 에미터(18), 이들 사이에 미소 갭(26)을 형성한 에미터(18)의 선단 근방을 둘러싸며 에미터(18)에 공통인 인출 전극(소위 게이트 전극이라 부름)(22), 서로로부터 이들을 절연되도록 인출 전극(22)과 캐소드 기판(16) 사이에 배치되는 절연층(20)을 포함한다. 캐소드 기판(16)과 에미터(18)는 서로와 전기적으로 도통하고 있다.
각 에미터(18)는 뾰족한 침형이다. 즉, 에미터는 선단을 향해 진행할수록 더 뾰족한 형상을 한다. 도 3에 도시한 예시에서, 에미터는 원추형이지만 또한 다른 방법으로는 각추형 등일 수도 있다.
인출 전극(22)은 에미터(18)와 대응하는 위치에 미소 구멍(24)을 갖는다. 각 미소 구멍(24)은 예컨대 원형이다. 미소 구멍(24)의 원형부에서, 에미터(18)와 대응하는 선단 부근이, 에미터와 미소 구멍(24) 내벽 사이에 미소 간극(26)을 형성하게 위치한다.
에미터(18)의 각 높이, 기저부의 직경(D3), 미소 구멍(24) 각각의 직경 및 갭(26) 각각의 직경은 ㎛ 단위의 미소한 크기이다.
이렇게 구성된 에미터(18)는 캐소드 기판(16)에 다수 형성된다. 다수란 수십 내지 수백의 수가 아니라, 간단히 말하면, 적어도 약 만개 이상이다. 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전계 방출형 전자원(10) 각각은 복수의 전자원 어레이(14)를 갖고, 전계 방출형 전자원(10) 어레이(14) 각각은 약 1만개 내지 2만개의 에미터(18)를 갖고 있다. 각 전계 방출형 전자원(10)을 구성하는 전계 방출형 전자원(10) 어레이(14)의 수는 도 2에 도시된 3개에 한정되는 것이 아니다.
도 3으로 되돌아가서, 전계 방출형 전자원(10)의 캐소드 기판(16)과 인출 전극(22) 사이에, 인출 전극(22)을 플러스 측으로 설정하여, 전계 방출에 의해 에미터(18)로부터 전극(12)을 인출하기 위한 인출 전압(V1)을 인가하는 DC 인출 전원(32)이 접속된다. 예컨대, 인출 전압(V1)은 약 50V 내지 100V이다.
도 3의 예시에 도시된 바와 같이, 필요에 따라, 전계 방출형 전자원(10)으로부터 방출될 전자(12)의 에너지를 조정하는 에너지 조정 전원(36)은 캐소드 기판(16)과 접지 전위 사이에 접속될 수 있다. 예컨대, 전원의 출력 전압(V3)은 약 0V 내지 50V 이다.
전계 방출형 전자원(10)은 전술된 바와 같이 낮은 인출 전압(V1)에서 전자(12)를 방출할 수 있기 때문에, 저에너지의 전자(12)를 방출할 수 있다. 또한, 전계 방출형 전자원(10)은 많은 에미터(18)를 갖고 있어서 다량의 전자(12)를 생성할 수 있다. 예컨대 하나의 전계 방출형 전자원 어레이(14)는 약 100㎂ 내지 1㎃의 전자(12)를 생성할 수 있다. 전계 방출형 전자원(10)이 복수의 전계 방출형 전자원 어레이(14)로 마련되는 경우, 전계 방출형 전자원(10)은 어레이 수의 정수배의 전자(12)를 생성할 수 있다.
전계 방출형 전자원(10)은 반도체 디바이스와 유사한 구조를 갖기 때문에 매우 소형화할 수 있다. 또한, 전계 방출형 전자원(10)은 이온 빔(2)의 경로를 진공 대기로 유지하는 진공 챔버내에 배치되어 동작될 수 있다. 그러므로, 전계 방출형 전자원(10)은 이온 빔(2)의 경로에 매우 가깝게 배치될 수 있다.
도 4에 도시된 예시와 같이, 전계 방출형 전자원(10)은, 인출 전극(22)에 대한 전자(12)의 발광측의 측면 상에, 인출 전극(22)을 따라 연장되며 다수의 미소 구멍(30)을 갖는 제2 인출 전극(28)을 더 포함할 수 있다. 인출 전극(22, 28)은 공간 또는 도시하지 않은 절연층 등을 통해 서로로부터 전기적으로 절연된다. 전계 방출형 전자원(10)으로부터 방출되는 전자(12)의 에너지를 조정하기 위해 제2 인출 전압(V2)을 인가하는 DC 제2 인출 전원(34)은 캐소드 기판(16)과 제2 인출 전극(28) 사이에 접속된다. V2>V1인 경우, 전계 방출형 전자원(10)은 방출된 전자(12)의 에너지를 더 증가시키는 가속 모드에서 동작하고, V2<V1인 경우, 전계 방출형 전자원(10)은 방출된 전자(12)의 에너지를 더 감소시키는 감속 모드에서 동작한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 이온 빔(2)의 진행 방향(X)에 평행한 방향(40)에 대한, 전계 방출형 전자원(10)으로부터 방출된 전자(12)의 각도(θ)를 입사각이라고 부른다. 입사각(θ)은 이온 빔(2)의 내측 방향을 +(플러스), 외측 방향을 -(마 이너스)로 설정한다.
특허문헌1에 개시된 전계 방출형 전자원은 입사각(θ)이 약 90°인 방향에 배치된다. 반대로, 본 실시예에서, 전계 방출형 전자원(10)은 입사각(θ)이 예컨대 약 -15°내지 +45°의 범위 내인 방향에 배치된다.
하기의 이유로 전술된 바와 같이, 전계 방출형 전자원(10)은 90°보다 충분히 작은 입사각(θ)의 방향에 배치될 수 있다. 전술된 바와 같이, 전계 방출형 전자원(10)은 매우 소형화되고, 진공 대기 내에서 동작할 수 있다. 따라서, 전계 방출형 전자원(10)은 이온 빔(2)의 경로에 매우 가깝게 배치될 수 있다.
상기 작은 입사각(θ)에서 전자(12)가 전계 방출형 전자원(10)으로부터 방출되는 경우에도, 이온 빔(2)에 의해 생산된 플러스 빔 전위(Vp)는 이온 빔(2)과 그 주변에 존재한다. 따라서, 전자(12)는 빔 전위(Vp)에 의해 이온 빔(2)에 인입되어 이온 빔(2)의 공간 전하의 중화에 기여한다.
또한, 전계 방출형 전자원(10)으로부터 방출시 전자(12)의 입사각(θ)이 전술된 범위 내에 설정된 경우, 전자(12)가 이온 빔(2)을 통과하여 이온 빔(2)을 넘도록 이동할 가능성이 낮아져서, 이온 빔(2)내의 전자(12)의 존재 가능성이 증가한다. 결과적으로, 이온 빔(2)의 공간 전하는 효율적으로 중화될 수 있고, 공간 전하에 기인한 이온 빔(2)의 발산을 효과적으로 억제할 수 있다. 따라서, 이온 빔(2)의 수송 효율을 향상시킬 수 있다.
전자(12)의 입사각(θ)과 이온 빔(2)의 중화 즉 발산의 억제 사이의 관계의 시뮬레이션의 결과를 설명할 것이다.
도 7은 전자(12)를 공급하지 않은 경우의 공간 전하에 기인한 이온 빔(2)의 발산의 예시를 도시한다. 하기의 시뮬레이션에서, 이온 빔(2)의 이온종(ion species)은 31P+이고, 에너지는 500eV이며, 전류는 25㎂이고, X= 0㎜의 위치에서의 이온 빔(2)의 직경(D1)은 50㎜이다. 전자(12)가 공급되지 않은 경우, X= 350㎜의 위치에서의 이온 빔(2)의 직경(D2)이 193㎜인 경우, 이온 빔은 넓게 발산되는 것을 볼 수 있다.
도 8은 전자(12)를 공급하는 경우의 이온 빔(2)의 중화의 시뮬레이션의 초기 조건을 도시한다. X= 0㎜의 위치에서, 이온 빔(2)을 구성하는 이온(2b)은 YZ 평면에 분산되어 위치되고, 전자(12)는 주변부에 원형으로 배치된다. 전자(12)는 다양한 입사각(θ)에서 방출된다. 이때, 전자(12)의 에너지가 10eV이고, 전자 전류(Ie) 대 이온 빔 전류(Ii)의 비(Ie/Ii)가 34였다.
도 9는 입사각(θ)이 89°인 경우의 예시를 도시한다. 이 예시는 특허문헌1에 개시된 전계 방출형 전자원의 배치와 유사하다. 전자(12)가 이온 빔(2)을 여러 번 통과하여 왕복 진동하는 것을 볼 수 있다. X= 350㎜의 위치에서의 이온 빔(2)의 직경(D2)은 186㎜이고, 이온 빔(2)이 크게 발산되어 전자(12)가 이온 빔(2)의 공간 전하의 중화에 거의 기여하지 않는 것을 볼 수 있다.
도 10에서 입사각(θ)이 30°인 경우의 예시를 도시한다. 대부분의 전자(12)가 이온 빔(2)의 궤도 내에 포획되는 것을 볼 수 있다. X= 350㎜의 위치에서의 이 온 빔(2)의 직경(D2)은 116㎜이고, 전자(12)가 이온 빔(2)의 공간 전하의 중화에 효율적으로 기여하고 이온 빔(2)의 발산이 효과적으로 억제되는 것을 볼 수 있다.
도 11은 입사각(θ)이 15°인 경우의 예시를 도시한다. 대부분의 전자(12)가 이온 빔(2)의 괘도 내에 포획되는 것을 볼 수 있다. X= 350㎜의 위치에서의 이온 빔(2)의 직경(D2)은 113㎜이고, 전자(12)가 이온 빔(2)의 공간 전하의 중화에 보다 효율적으로 기여하고, 이온 빔(2)의 발산이 보다 효과적으로 억제되는 것을 볼 수 있다.
도 12는 입사각(θ)이 0°인 경우의 예시를 도시한다. X= 350㎜의 위치에서의 이온 빔(2)의 직경(D2)은 111㎜이고, 전자(12)가 이온 빔(2)의 공간 전하의 중화에 더 효율적으로 기여하고, 이온 빔(2)의 발산이 더 효과적으로 억제되는 것을 볼 수 있다.
도 13은 입사각(θ)이 -15°인 경우의 예시를 도시한다. 입사각(θ)이 마이너스인 경우에도, 각도의 절대각이 이 예시만큼 작은 경우, 대부분의 전자(12)가 이온 빔(2)의 플러스 빔 전위에 의해 이온 빔(2)의 괘도 내에 포획된다. X= 350㎜의 위치에서의 이온 빔(2)의 직경(D2)은 120㎜이고, 전자(12)가 이온 빔(2)의 공간 전하의 중화에 효율적으로 기여하고 이온 빔(2)의 발산이 효과적으로 억제되는 것을 볼 수 있다.
상기값 이외의 입사각(θ)에서의 시뮬레이션을 행한다. 도 14는 전자(12)의 입사각(θ)에 대한 시뮬레이션에서 X= 350㎜의 위치에서의 이온 빔(2)의 직경(D2)을 통합적으로 도시한다. 입사각이 마이너스측에서 커지는 경우, 이온 빔(2)의 발산이 하기의 이유로 증가된다고 생각된다. 전자(12)는 이온 빔(2)으로부터 분리되는 방향으로 방출되고, 이온 빔(2)의 플러스 빔 전위에 의해 거의 포획되지 않는다. 도면으로부터 보이는 바와 같이, 입사각(θ)은 바람직하게는 -15°내지 +45°의 범위 내이고, 보다 바람직하게는 -15°내지 +30°의 범위 내이며, 더 바람직하게는 거의 0°내지 +15°이며, 가장 바라직하게는 거의 0°이다.
상기의 시뮬레이션에서, 전자(12)는 이온 빔(2)의 주변으로부터 방출된다. 반대로, 도 1의 실시예에서는, 전자(12)는 이온 빔(2)의 양측으로부터 즉, 이온 빔(2)의 양측에 배치된 전계 방출형 전자원(10)으로부터 방출된다. 전술된 바와 조건이 약간 상이하더라도, 시뮬레이션과 실시예는 전자(12)가 이온 빔(2) 근처로부터 방출된다는 것이 공통적이다. 따라서, 시뮬레이션의 결과로부터, 본 실시예에서, 전계 방출형 전자원(10)으로부터 방출된 전자(12)의 입사각(θ)을 전술한 범위로 설정하여 시뮬레이션에서와 같은 동일한 경향을 갖는 결과를 얻을 수 있다.
즉, 전계 방출형 전자원(10)으로부터 방출된 전자(12)의 입사각(θ)이 -15°내지 +45°의 범위 내에 보다 바람직하게는 -15°내지 +30°의 범위 내이며, 더 바람직하게는 거의 0°내지 +15°이며, 가장 바람직하게는 거의 0°인 방향 내에 전계 방출형 전자원(10)이 배치된다. 입사각(θ)이 작을수록, 공간 전하에 기인한 이온 빔(2)의 발산을 보다 효율적으로 억제할 수 있어서, 이온 빔(2)의 수송 효율이 보다 향상될 수 있다.
도 1로 되돌아가서, 전계 방출형 전자원(10)은 이온 소스(1)로부터 홀더(6)까지 연장된 이온 빔(2)의 경로의 어느 부분에 위치하여도 좋다. 전계 또는 자계를 이온 빔(2)에 인가하는 장치가 이온 빔(2)내에 존재하는 경우, 전자(12)는 장치를 거의 통과할 수 없다. 따라서, 전계 방출형 전자원(10)은 장치와 이온 빔(2)의 발산이 억제되는 위치 사이에 예컨대, 이러한 장치의 하류측 상에 위치하는 것이 바람직하다. 전계 방출형 전자원(10)은 이온 소스(1)로부터 홀더(6)까지 연장된 이온 빔(2)의 경로의 복수의 위치에 배치될 수 있다.
도 1에 도시된 실시예와 같이, 전계 방출형 전자원(10)은 하류측을 향한 방향에 위치함으로써, 전계 방출형 전자원(10)을 타겟(4)으로부터 상류측을 향해 분리되도록 위치되어, 이온 빔(2)의 발산이 타겟(4)까지의 긴 거리에 걸쳐 효율적으로 억제될 수 있다.
전계 방출형 전자원(10)은 이온 빔(2)의 경로의 한쪽에 배치될 수 있다. 도 1과 도2에 도시된 실시예에서와 같이, 예컨대, 전계 방출형 전자원(10)은 바람직하게 이온 빔(2)의 경로의 양측에 배치될 수 있다. 구성에 따라서, 전자(12)는 양측으로부터 이온 빔(2)에 공급될 수 있다. 따라서, 이온 빔(2)의 공간 전하는 더 효율적으로 중화될 수 있고 공간 전하에 기인한 이온 빔(2)의 발산이 더 효과적으로 억제될 수 있다. 필요에 따라서, 전계 방출형 전자원(10)은 이온 빔(2)의 경로를 둘러싸는 4개 위치에 위치될 수 있다. 이 구성은 전술한 시뮬레이션과 더 유사하다.
이온 빔(2)이 도 2에 도시한 예시와 같이 리본 형상을 갖는 경우, 전계 방출형 전자원(10)은 Y 방향으로 즉, 리본 형상 이온 빔(2)의 폭 방향으로 연장되는 긴(elongate) 형상을 갖는다. 구성에 따라서, 이온 빔(2)이 Y 방향으로 연장되는 형상이어도, 이온 빔(2)의 공간 전하가 이온 빔(2)의 더 넓은 범위에 걸쳐 보다 균일하게 중화될 수 있다.
도 6에 도시된 실시예에서와 같이, 전계 방출형 전자원(10)은 전자(12)가 이온 빔(2)의 상류측을 향해 방출되는 방향에 배치될 수 있다. 이 경우에, 바람직하게, 전계 방출형 전자원(10)은 홀더(6)의 상류측 근방에 배치될 수 있다. 다른 구성은 전술된 실시예의 구성과 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
전계 방출형 전자원(10)이 상류측을 향한 방향에 배치되어도, 전계 방출형 전자원(10)으로부터 방출된 전자(12)가 상류측을 향해 이동하면서 이온 빔(2)의 플러스 빔 전위(VP)에 의해 포획된다. 따라서, 전계 방출형 전자원(10)이 하류측을 향한 방향에 배치되는 전술된 실시예에서와 동일한 기능에 의해서, 이온 빔(2)의 공간 전하는 효율적으로 중화될 수 있고 공간 전하에 기인한 이온 빔(2)의 발산은 효과적으로 억제될 수 있다.
전계 방출형 전자원(10)이 상류측을 향한 방향으로 배치되는 경우, 전계 방출형 전자원(10)으로부터 방출된 전자(12)가 타겟(4)에 입사되기 어렵다. 따라서, 타겟(4)에의 전자(12)의 입사에 의해 생성되는, 타겟(4)의 표면의 마이너스 대전을 억제할 수 있다. 이것은 전계 방출형 전자원(10)으로부터 방출된 전자(12)의 에너 지가 매우 낮지 않은 경우에 특히 효과적이다.
타겟(4)으로서 반도체 기판을 이용하고, 본 실시예 중 하나의 이온 빔 조사 장치를 이용하여, 이온 빔(2)으로 반도체 기판을 조사함으로써, 복수의 반도체 디바이스가 반도체 기판(예컨대, 실리콘 기판) 상에 생성될 수 있다. 예컨대, 본 실시예 중 하나의 이온 빔 조사 장치는 원하는 이온(예컨대 불순물로서의 이온)을 반도체 기판의 표면 또는 표면층 일부의 원하는 영역에 주입하는 단계에 사용될 수 있어서, 반도체 디바이스로서의 복수의 집적 회로(예컨대, 시스템 LSI 등)를 반도체 기판상에 제조한다.
최근, 반도체 기판상에 제조된 반도체 디바이스의 소형화는 매우 진행되고 있다(즉, 매우 높게 집적됨). 이온 주입이 이러한 반도체 디바이스 상에 행해지는 경우, 반도체 기판의 표면에 형성된 홈 또는 볼록형 부분에, 이온이 주입되지 않는 부분 즉 그늘진 부분이 형성되는 것을 방지해야하는 과제가 있다. 방지하지 않는 경우, 형성되는 반도체 디바이스의 특성에 변동이 생기고 결함 디바이스가 생성될 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 반도체 기판은 매우 평행한 이온 빔으로 조사해야만 한다. 공간 전하에 기인한 이온 빔의 발산이 큰 경우, 반도체 기판을 매우 평행한 이온 빔으로 조사하는 것이 어렵다. 반대로, 본 실시예의 이온 빔 조사 장치 중 하나를 채용하는 경우, 공간 전하를 중화하며 적게 발산되는 이온 빔(2)을 사용하여 복수의 반도체 디바이스를 반도체 기판상에 제조할 수 있다. 따라서, 균일한 특성을 갖는 복수의 반도체 디바이스는 동일한 반도체 기판상에서 제조될 수 있다. 결과적으로, 수율이 향상되고, 반도체 디바이스의 생산 효율이 향상된다.
본 발명은 특정 실시예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 당업자는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형 및 수정을 행할 수 있음이 명백해질 것이다.
이 출원은 2006년 6월 12일에 출원된 일본 특허 출원(제2006-162394호)에 기초하고, 본 명세서에 참조에 의해 내포되었다.

Claims (17)

  1. 타겟에 이온 소스로부터 인출된 이온 빔으로 조사하는 이온 빔 조사 장치에 있어서,
    전자를 방출하는 전계 방출형 전자원으로서, 도전성 캐소드 기판, 상기 도전성 캐소드 기판상에 형성되며 각각이 침형인 복수의 에미터, 및 상기 에미터의 선단을 미리 설정된 간격으로 둘러싸는 인출 전극을 갖는 전계 방출형 전자원을 포함하고,
    상기 전계 방출형 전자원은 상기 전계 방출형 전자원으로부터 방출된 전자에 의해 형성된 입사각에 따른 방향에 배치되고, 상기 이온 빔의 진행 방향과 평행한 방향은 -15°내지 +45°의 범위 내에 있어 상기 이온 빔의 공간 전하를 중화시키고, 상기 이온 빔의 내측 방향이 +이고, 외측 방향이 -인 것인 이온 빔 조사 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전계 방출형 전자원은 입사각이 -15°내지 +30°의 범위 내인 방향에 배치되는 것인 이온 빔 조사 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전계 방출형 전자원은 입사각이 0°내지 +15°의 범위 내인 방향에 배치되는 것인 이온 빔 조사 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전계 방출형 전자원은 입사각이 0°인 방향에 배치되는 것인 이온 빔 조사 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전계 방출형 전자원은 전자가 상기 이온 빔의 진행 방향의 하류측을 향해 방출되는 방향에 배치되는 것인 이온 빔 조사 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전계 방출형 전자원은 전자가 상기 이온 빔의 진행 방향의 상류측을 향해 방출되는 방향에 배치되는 것인 이온 빔 조사 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전계 방출형 전자원은 상기 이온 빔의 경로의 양측에 배치되는 것인 이온 빔 조사 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전계 방출형 전자원의 위치에서, 상기 이온 빔은 상기 진행 방향 X와 교차하는 면내에서의 Y 방향의 치수가 해당 Y 방향과 직교하는 Z 방향의 치수보다도 큰 형상이고, 상기 전계 방출형 전자원은 Y 방향으로 연장된 형상인 것인 이온 빔 조사 장치.
  9. 제1항에 기재된 이온 빔 조사 장치를 사용하여, 상기 타겟으로서 반도체 기판에 이온 빔으로 조사하여 이온 주입을 행하여, 상기 반도체 기판상에 복수의 반도체 디바이스를 제조하는 반도체 디바이스 제조 방법.
  10. 타겟에 이온 소스로부터 인출된 이온 빔으로 조사하는 이온 빔 조사 장치에 있어서,
    전자가 상기 이온 빔의 경로 내에 상기 이온 빔의 진행 방향과 반대 방향으로 진행되도록 상기 전자를 방출하는 전자원을 포함하고,
    상기 전자원은 상기 전자원으로부터 방출된 전자에 의해 형성된 입사각에 따른 방향에 배치되고, 상기 이온 빔의 진행 방향과 평행한 방향은 -15°내지 +45°의 범위 내에 있어 상기 이온 빔의 공간 전하를 중화시키고, 상기 이온 빔의 내측 방향이 +이고, 외측 방향이 -인 것인 이온 빔 조사 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 전자원은 입사각이 -15°내지 +30°의 범위 내인 방향에 배치되는 것인 이온 빔 조사 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 전자원은 입사각이 0°내지 +15°의 범위 내인 방향에 배치되는 것인 이온 빔 조사 장치.
  13. 제10항에 있어서, 상기 전자원은 입사각이 0°인 방향에 배치되는 것인 이온 빔 조사 장치.
  14. 제10항에 있어서, 상기 전자원은 상기 이온 빔의 경로의 양측에 배치되는 것인 이온 빔 조사 장치.
  15. 제10항에 있어서, 상기 전자원은, 도전성 캐소드 기판, 상기 도전성 캐소드 기판상에 형성되고 각각이 침형인 복수의 에미터, 및 상기 에미터의 선단을 미리 설정된 간격으로 둘러싸는 인출 전극을 갖는 전계 방출형 전자원인 것인 이온 빔 조사 장치.
  16. 제10항에 있어서, 상기 전자원의 위치에서, 상기 이온 빔은 상기 진행 방향 X와 교차하는 면내에서의 Y 방향의 치수가 해당 Y 방향과 직교하는 Z 방향의 치수보다도 큰 형상이고, 상기 전자원은 Y 방향으로 연장된 형상인 것인 이온 빔 조사 장치.
  17. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 기재된 이온 빔 조사 장치를 사용하여, 상기 타겟으로서 반도체 기판에 이온 빔으로 조사하여 이온 주입을 행하여, 상기 반도체 기판상에 복수의 반도체 디바이스를 제조하는 반도체 디바이스 제조 방법.
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