KR101343361B1 - 저온 이온 주입을 위한 기술 - Google Patents

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조나단 제럴드 잉글랜드
스티븐 알. 월터
리처드 에스. 무카
줄리안 블레이크
폴 제이. 머피
르우엘 비. 리베르트
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베리안 세미콘덕터 이큅먼트 어소시에이츠, 인크.
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Abstract

저온 이온 주입을 위한 기술이 개시된다. 일 실시예에 있어서, 상기 기술은 저온 이온 주입 장치로서 실현될 수 있다. 상기 장치는 이온 주입기의 엔드 스테이션에 인접하게 위치하는 예비-냉각 스테이션을 포함할 수 있다. 상기 장치는 또한 상기 예비-냉각 스테이션 내의 냉각 메커니즘을 포함할 수 있다. 상기 장치는 또한 상기 예비-냉각 스테이션 및 상기 엔드 스테이션에 연결된 로딩 어셈블리를 포함할 수 있다. 상기 장치는 또한 상기 로딩 어셈블리 및 상기 냉각 메커니즘과 연결되어 웨이퍼를 상기 예비-냉각 스테이션으로 로딩, 상기 웨이퍼를 기 설정된 온도 범위로 냉각, 및 상기 냉각된 웨이퍼를 이온 주입 공정을 받게 되는 상기 엔드 스테이션으로 로딩하는 것을 조정하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.

Description

저온 이온 주입을 위한 기술{TECHNIQUE FOR LOW-TEMPERATURE ION IMPLANTATION}
본 발명은 반도체 제조에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 저온 이온 주입을 위한 기술에 관한 것이다.
반도체 소자들의 소형화가 계속됨에 따라, 극히 얕은 접합들(ultra-shallow junctions)에 대한 수요가 증가하고 있다. 예를 들면, 현대의 상보적 금속 산화물 반도체(CMOS) 장치들의 요구를 충족시키기 위하여 더 활성적이고, 더 얕으며, 더욱 계단형에 가까운 소스-드레인 연장 접합들을 만들기 위해 엄청난 노력이 기울어져 왔다.
예를 들면, 웨이퍼 표면의 비정질화와 같은 단결정 웨이퍼에 계단형의 극히 얕은 접합을 형성하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 얇은 비정질막은 더욱 현저한 채널링, 상기 비정질막에서 한정되는 더 적은 도펀트 원자들, 및 상기 비정질-결정 계면을 지나 EOR(end-of-range) 영역에서 존재하는 더 많은 결정 간극들을 유발하므로, 비교적 두꺼운 비정질 실리콘막이 바람직하다. 그 결과, 더 얇은 비정질막은 더 깊은 정션 깊이, 더 작은 계단형 도핑 프로파일, 불충분한 도펀트들의 활성, 및 열처리 후에 더 많은 EOR 결함들을 일으키고, 이러한 결함들 모두는 현대의 CMOS의 소자 미세화에 있어, 특히 소스-드레인 확장(extension) 도핑에 대하여 주된 장애물들로 나타난다.
이온 주입동안 비교적 낮은 웨이퍼 온도는 실리콘 웨이퍼의 비정질화를 위해 바람직하다. 이온 주입의 현재 응용분야들에 있어서, 웨이퍼들은 일반적으로 냉각장치(chiller)를 사용하는 가스-보조 공정에 의해 상기 주입 공정 동안에 냉각된다. 대부분의 경우들에 있어서, 이러한 냉각 기술들은 상기 웨이퍼 온도를 상기 냉각장치 온도(예를 들면, 15℃)와 포토레지스트 형태를 유지하기 위해 부과된 상한 온도(예를 들면, 100℃) 사이로 유지한다. 이러한 높은 온도는 자기-어닐링(self-annealing) 효과, 즉, 프렌켈 짝들(Frenkel pairs)(이온 빔 충격들로부터 발생된 틈새-짝들(vacancy-interstitial pairs))의 소멸을 증대시킨다. 상기 실리콘의 비정질화는 상기 실리콘 원자들의 충분한 개수가 빔 이온들에 의해 대체될 때만 발생하므로, 높은 온도에서의 상기 프렌켈 짝 소멸의 증가는 많이 요구되는 비정질화 공정에 반대하여 작용하여, 비정질화를 위한 더 높은 도즈 문턱값(dose threshold)을 초래하여 이상적인 얕은 접합들을 더 적게 초래하게 된다.
다른 파라미터들이 같다면, 비정질 실리콘막의 두께는 자기-어닐링 효과의 감소에 따른 주입 온도의 감소와 함께 증가된다. 비정질막이 더 두꺼울수록, 테일 채널링(tail channeling)이 덜 기대된다. 상기 비정질 영역에서 빔 이온들에 의해 생성된 더 많은 손상이 한정되고 상기 비정질-결정 계면을 넘어 상기 결정 영역으로 더 적은 손상이 도입된다. 또한, 후속 어닐링 동안에, 고상 에피택시(solid-phase epitaxy) 공정에 의해 치환 사이트들에서 도펀트들이 많을수록 더 좋은 활성 화가 달성될 수 있다.
더 두꺼운 비정질 실리콘막에 의해 도입된 장점들에 추가적으로, 저온에서 이온 주입을 수행하는 것은 또한 상기 주입 동안에 프렌켈 짝들의 이동을 최소화한다. 그 결과, 고온 주입의 경우와 비교할 때, 더 적은 프렌켈 짝들이 비정질-결정 계면을 지난 영역으로 밀려지게 된다. 대부분의 상기 프렌켈 짝들은 상기 고상 에피택시 공정 동안에 상기 격자내로 다시 성장할 것이고 전이 증대 확산을 유발하거나 확장된 결함들(extended defects)을 형성하는 과도한 틈새들을 유발하지는 않는다. 또한 과도한 틈새들이 적을수록 채널 상에 소스-드레인 확장 도핑 또는 할로 도핑(halo doping)의 충격이 더 적다. 단 채널(short channel)의 억제 효과와 같은, 채널을 압박하는 틈새들 또는 채널 영역으로의 할로 도펀트들이 더 적어지거나 네거티브 커플링이 더 적어지는 효과가 기대된다. 이에 따라, 더 좋은 공정 제어 및 소자 성능의 예측이 달성될 수 있다.
상기 웨이퍼가 예를 들면, 1000℃로 5초 동안 가열되는 급속 열처리는 주입된 도펀트들을 활성화하기 위해 일반적으로 사용되어 왔다. 확산이 없는 열처리는 바람직한 주입 이후의 공정이 되고 있으며, 이러한 공정들에 있어서 웨이퍼의 온도는 예를 들면, 열 소스로서 레이저를 사용하여 (예를 들면, 5ms 동안 1000℃로) 더 빠르게 상승된다. 이렇게 극도로 빠른 열처리 공정들은 너무 빠르게 작용하여 상기 도펀트들은 크게 확장될 시간을 갖지 못하지만, 상기 주입 손상이 치유될 시간 또한 적어지게 된다. 저온 이온 주입은 이러한 확산이 없는 열처리 동안에 주입 손상 치유의 정도를 개선할 수 있다.
저온 이온 주입을 위한 다른 이유들이 또한 존재한다.
지금까지 저온 이온 주입이 시도되어 왔지만, 기존의 접근들은 수많은 결함들을 경험하고 있다. 첫째로, 반도체 산업에 있어 최근 경향은 단일-웨이퍼 이온 주입기들을 선호하는 반면, 대부분 기존의 저온 이온 주입 기술들은 배엽-웨이퍼 이온 주입기들을 대상으로 개발되어 왔다. 배엽-웨이퍼 이온 주입기들은 일반적으로 단일의 진공 챔버에 수용된 다수개의 웨이퍼들(batches)을 처리한다. 종종 연장된 시간 동안 동일한 진공 챔버에서 몇 개의 냉각된 웨이퍼들이 동시에 존재하는 것은, 특별한 인-시튜 냉각 성능을 요구한다. 한 묶음의 전체 웨이퍼들을 예비적으로 냉각하는 것은 각 웨이퍼가 주입되는 순서를 기다리는 동안 다른 온도 상승을 경험할 것이므로 쉬운 선택이 아니다. 추가적으로, 상기 저온 웨이퍼들에 대한 상기 진공 챔버에서의 연장된 노축은 잔류하는 습기로부터의 결빙을 초래할 수 있다.
둘째로, 거의 모든 기존의 저온 이온 주입기들은 이온 주입 동안 웨이퍼들을 직접적으로 냉각한다. 공정 챔버에서의 결빙 문제들을 유발시키는 경우를 별문제로 하고, 직접적 냉각은 냉각 구성요소들(예를 들면, 냉각 파이프라인들, 히트 펌프들, 및 추가적인 전기적 배선들)의 웨이퍼 플레이튼으로의 통합을 요구한다. 일반적으로, 기존의 웨이퍼 플레이튼들은 이미 정교하며 변경하기가 매우 어렵다. 그 결과, 기존의 이온 주입기의 변경 또는 저온 공정들을 채용하는 새로운 이온 주입기의 설계는 엄청나게 비싼 반면 미비한 개선만을 달성하게 된다. 더욱이, 저온 이온 주입을 위한 웨이퍼 플레이튼의 변경은 내부 온도 이온 주입 공정들을 수행하는 이온 주입기의 성능에 원하지 않는 충격을 줄 수도 있다. 추가적으로, 인-시튜 냉 각은 종종 전체 이온 주입 공정을 상당히 느리게 하며 이에 따라 생산 작업 처리량을 저하시킨다.
앞서 말한 관점에서, 상술한 결점들과 부족한 점들을 극복하는 저온 이온 주입을 위한 해결책을 제공하는 것이 바람직하다.
저온 이온 주입을 위한 기술이 개시된다. 일 실시예에 있어서, 상기 기술은 저온 이온 주입 장치로서 실현될 수 있다. 상기 장치는 이온 주입기의 엔드 스테이션에 인접하게 위치하는 예비-냉각 스테이션을 포함할 수 있다. 상기 장치는 또한 상기 예비-냉각 스테이션 내의 냉각 메커니즘을 포함할 수 있다. 상기 장치는 또한 상기 예비-냉각 스테이션 및 상기 엔드 스테이션에 연결된 로딩 어셈블리를 포함할 수 있다. 상기 장치는 또한 상기 로딩 어셈블리 및 상기 냉각 메커니즘과 연결되어 웨이퍼를 상기 예비-냉각 스테이션으로 로딩, 상기 웨이퍼를 기 설정된 온도 범위로 냉각, 및 상기 냉각된 웨이퍼를 이온 주입 공정을 받게 되는 상기 엔드 스테이션으로 로딩하는 것을 조정하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 다른 관점들에 있어서, 상기 예비-냉각 스테이션은 제1 진공 공간을 형성할 수 있고, 상기 엔드 스테이션은 상기 제1 진공 공간과 분리된 제2 진공 공간을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 또 다른 관점들에 있어서, 상기 이온 주입기는 상기 엔드 스테이션에서 한번에 하나의 웨이퍼를 처리하는 단일-웨이퍼 이온 주입기일 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 또 다른 관점들에 있어서, 상기 컨트롤러는 추가적으로 상기 로딩 어셈블리가 상기 이온 주입 공정 이후에 상기 웨이퍼를 상기 엔드 스테이션으로부터 즉시 제거하도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 일 관점에 있어서, 상기 엔드 스테이션은 상기 이온 주입 공정 동안 상기 웨이퍼를 유지하는 플레이튼을 포함하고, 상기 웨이퍼는 실질적으로 상기 플레이튼으로부터 열적으로 고립될 수 있다. 상기 플레이튼은 상기 웨이퍼를 지지하는 다수개의 메사(mesa) 구조물들을 포함하여, 상기 플레이튼과 상기 웨이퍼 사이의 전체 접촉 면적은 상기 웨이퍼 표면보다 실질적으로 더 적을 수 있다. 그리고, 상기 플레이튼은 상기 웨이퍼의 틸팅 및 회전을 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 또 다른 관점에 있어서, 상기 예비-냉각 스테이션은 냉각을 위해 상기 웨이퍼를 유지하는 고정된 플레이튼을 포함할 수 있다. 상기 고정된 플레이튼은 상기 로딩 어셈블리에 의한 로딩 및 언로딩을 원활히 하기 위한 리프트 핀들을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 또 다른 관점에 있어서, 상기 웨이퍼는 더 큰 열용량을 달성하기 위한 물체에 부착되어 상기 웨이퍼는 상기 이온 주입 공정 동안 더 작은 온도 상승을 경험할 수 있다. 상기 물체는 상기 웨이퍼보다 더 무거운 캐리어 플레이트일 수 있다. 상기 웨이퍼는 자신의 승화 온도 이하에서 이산화탄소와 함께 상기 캐리어 플레이트에 부착될 수 있고, 상기 캐리어 플레이트는 일체화된 적어도 하나의 열 센서를 포함할 수 있다. 상기 캐리어 플레이트는 일체화된 냉각/가열 메커니즘을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 또 다른 관점에 있어서, 상기 이온 주입 공정은 플라즈마 도핑 공정의 일부일 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 또 다른 관점에 있어서, 상기 냉각 메커니즘은 가스 냉각, 냉각제 순환, 냉각제 상태 변화, 펠티어(Peltier) 열전달, 및 내장된 저온 펌프(cryopump)로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 기술들에 근거하여 상기 웨이퍼를 냉각할 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 또 다른 관점에 있어서, 상기 이온 주입 공정에 의한 온도 상승량은 상기 웨이퍼에 대해 예상되고, 상기 컨트롤러는 상기 웨이퍼가 상기 예상된 온도 상승량의 적어도 일부에 기초하여 냉각되어 상기 이온 주입 공정 동안 상기 웨이퍼의 과열을 회피하도록 추가적으로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 또 다른 관점에 있어서, 상기 예비-냉각 스테이션은 상기 엔드 스테이션에 연결되는 로드락의 일부일 수 있다. 이와 다르게, 상기 예비-냉각 스테이션과 상기 냉각 메커니즘의 적어도 일부는 상기 로딩 어셈블리로 병합될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 기술은 저온 이온 주입 방법으로서 실현될 수 있다. 상기 방법은 웨이퍼를 제1 진공 공간으로 로딩하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 상기 웨이퍼가 상기 제1 진공 공간에 있는 동안 상기 웨이퍼를 기 설정된 온도 범위로 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 상기 냉각된 웨이퍼를 상기 제1 진공 공간으로부터 분리된 제2 진공 공간으로 로딩하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 상기 제2 진공 공간에서 상기 냉각된 웨이퍼 상에 이온 주입 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예의 다른 관점들에 있어서, 상기 방법은 상기 웨이퍼가 상기 이온 주입 공정 동안 작은 온도 증가를 경험하도록 상기 웨이퍼의 후면측에 캐리어 플레이트를 부착하여 더 큰 열용량을 얻는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예의 또 다른 관점들에 있어서, 상기 방법은 상기 이온 주입 공정 이후에 상기 웨이퍼를 상기 제2 진공 공간으로부터 즉시 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예의 또 다른 관점들에 있어서, 상기 방법은 상기 이온 주입 공정 이후에 상기 웨이퍼의 온도를 이슬점 이상으로 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예의 일 관점에 있어서, 상기 방법은 상기 이온 주입 공정에 의해서 상기 웨이퍼에 대한 온도 상승량을 예측하는 단계 및 상기 예측된 온도 상승량의 적어도 일부에 기초하여 상기 웨이퍼를 냉각하여 상기 이온 주입 공정 동안 상기 웨이퍼의 과열을 회피하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예의 또 다른 관점에 있어서, 상기 이온 주입 공정을 중지하는 단계, 상기 웨이퍼를 원하는 온도로 재-냉각하는 단계, 및 상기 이온 주입 공정을 재개하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예의 또 다른 관점에 있어서, 상기 이온 주입 공정은 플라즈마 도핑 공정의 일부일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예의 또 다른 관점에 있어서, 상기 방법은 상기 이온 주입 공정 이전에 상기 웨이퍼로부터 기체를 빼는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예의 또 다른 관점에 있어서, 상기 방법은 상기 이온 주입 공정 이후에 확산이 없는 열처리를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 기술은 상술한 방법을 수행하기 위하여 컴퓨터 프로세서를 실행하도록 지시하는 적어도 하나의 프로세서에 의해 판독 가능하도록 구성된 명령어들의 컴퓨터 프로그램을 전송하기 위한 적어도 하나의 캐리어 웨이브에 일체화된 적어도 하나의 신호로서 실현될 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 기술은 상술한 방법을 수행하기 위하여 컴퓨터 프로세서를 실행하도록 지시하는 적어도 하나의 프로세서에 의해 판독 가능하도록 구성된 명령어들의 컴퓨터 프로그램을 저장하기 위한 적어도 하나의 프로세서 판독 가능한 캐리어로서 실현될 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 기술은 이온 주입기로서 실현될 수 있다. 상기 이온 주입기는 적어도 하나의 엔드 스테이션, 상기 적어도 하나의 엔드 스테이션에 인접하게 위치하며 냉각 메커니즘을 갖는 적어도 하나의 예비-냉각 스테이션, 상기 적어도 하나의 엔드 스테이션 및 상기 적어도 하나의 예비-냉각 스테이션에 연결된 로딩 어셈블리, 및 웨이퍼가 상기 엔드 스테이션으로 로딩되어 이온 주입 공정이 수행되기 전에 상기 웨이퍼를 상기 적어도 하나의 예비-냉각 스테이션으로 로딩시키고 기 설정된 온도 범위로 냉각시키도록 구성된 컨트롤러를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 기술은 이온 주입 및 도펀트 활성 방법으로서 실현될 수 있다. 상기 방법은 웨이퍼 상에 이온 주입 공정을 수행하되, 상기 이온 주입 공정 동안에, 상기 웨이퍼의 온도가 실내 온도보다 낮은 범위 내에서 유지되는 것을 특징으로 하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 상기 이온 주입 공정 이후에 상기 웨이퍼 상에 확산이 없는 열처리를 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 이온 주입 공정 이전에, 상기 웨이퍼는 원하는 온도 범위로 예비-냉각될 수 있고, 상기 이온 주입 공정 동안에, 상기 웨이퍼는 상기 웨이퍼로부터 적어도 일부가 열적으로 절연된 플레이튼 상에 위치할 수 있다. 이와 다르게, 상기 웨이퍼의 온도는 가스 냉각, 냉각제 순환, 냉각제 상태 변화, 펠티어(Peltier) 열전달, 및 내장된 저온 펌프(cryopump)로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 기술들에 근거하여 상기 범위 이내에서 유지될 수 있다. 상기 확산이 없는 열처리는 레이저를 사용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 특징들 및 기타 이점들은 상세한 설명 및 첨부된 도면들을 참조하여 다양한 실시예들을 상세하게 기술함으로써 더욱 명확하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 이온 주입을 위한 예시적인 시스템을 나타내는 블록 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 이온 주입을 위한 다른 예시적인 시스템을 나타내는 블록 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 이온 주입을 위한 예시적인 예비-냉각 스테이션을 나타내는 블록 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 이온 주입을 위한 예시적인 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 이온 주입을 위한 예시적인 웨이퍼 부착물들을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 하기 실시예들에 설명되는 모든 조합들(combinations)이 본 발명에 있어서 필수 불가결한 것은 아니다.
본 발명의 실시예들은 웨이퍼가 이온 주입을 위해 플레이튼 상에 로딩되기 전에 원하는 온도 범위로 예비-냉각될 수 있는 저온 이온 주입을 위한 기술을 제공한다. 이온 주입 동안, 상기 웨이퍼는 능동적 또는 계속적으로 냉각될 필요는 없으며 웨이퍼 플레이튼으로부터 열적으로 절연될 수 있다. 이온 주입 동안의 웨이퍼 온도 상승은 상기 웨이퍼를 더 큰 열용량을 갖는 다른 물체에 부착시킴으로써 더욱 반감될 수 있다. 여기서 개시되는 상기 저온 이온 주입 기술은 플라즈마 이온주입(plasma ion implantation, PIII)이라 불리기도 하는 플라즈마 도핑(PLAD)뿐만 아니라 모든 종류의 이온 주입 공정들을 위해 적용될 수 있다. 기존의 이온 주입기들은 쉽게 변경될 수 있거나 새로운 이온 주입기들이 상기 예비-냉각 성능들을 제공하도록 만들어질 수 있다.
여기서 사용되는 바와 같이, "온도 범위"는 특정 온도값(예를 들면, -100℃) 또는 두개의 특정 온도값들 사이(예를 들면, -100℃ ~ -90℃) 또는 특정 온도값(예를 들면, ≥ -150℃ 또는 ≤ 80℃) 이상이거나 이하의 온도 범위를 의미한다. 여기서 사용되는 바와 같이, "엔드 스테이션(end station)"은 웨이퍼가 이온 주입 동안 수용되는 이온 주입기의 일부를 의미한다. 엔드 스테이션은 일반적으로 이온 주입 공정 챔버를 포함하고, 상기 이온 공정 챔버는 후술하는 예비-냉각 스테이션/챔버와 연결되거나 인접하게 배치된다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 이온 주입을 위한 예시적인 시스템(100)을 나타내는 블록 다이어그램이 도시되어 있다. 시스템(100)은 이온 주입기의 일부일 수 있으며 예비-냉각 스테이션(102), 엔드 스테이션(104), 웨이퍼 로딩 어셈블리(106), 및 컨트롤러(108)를 포함할 수 있다.
"열 조절 유닛"으로도 알려진 예비-냉각 스테이션(102)은 엔드 스테이션(104)의 진공 공간으로부터 분리되는 진공 공간을 형성할 수 있다. 예비-냉각 스테이션(102)의 내부에는 웨이퍼 홀더(114) 및 웨이퍼 홀더(114)에 연결된 냉각 유닛(110)이 구비될 수 있다. 일반적으로 웨이퍼 홀더(114)는 예를 들면, 정전기력을 이용하여 웨이퍼를 적절하게 고정할 수 있는 고정된 플레이튼일 수 있다. 냉각 유닛(110)은 하나 또는 그 이상의 현재 알려져 있거나 이후에 개발될 냉각 기술들을 채용하여 웨이퍼를 기 설정된 온도 범위로 냉각시킬 수 있다. 일반적으로, 저온 이온 주입을 위해 원하는 온도 범위는 실내 온도 이하이며, 종종 증류수의 빙점 이하이다. 액체 질소의 저온이 바람직할 수 있겠지만, 극도의 온도가 모든 이온 주입들을 위해 필요하거나 실용적이지 않을 수 있다. 일 실시예에 있어서, -100℃와 -50 ℃ 사이의 온도가 대부분의 애플리케이션들에 충분할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 본 발명은 어떠한 특정 온도 범위에 제한되지 않는다. 실제로, 예비-주입 열 조절 개념은 또한 상기 웨이퍼 온도가 실내 온도보다 더 높은 이온 주입들에 적용될 수 있다.
엔드 스테이션(104)은 단일의 웨이퍼들의 이온 주입이 일어나는 공정 챔버일 수 있다. 엔드 스테이션(104)은 이온 주입 동안 상기 웨이퍼를 유지 및/또는 이동시키는 자신의 웨이퍼 홀더(116)를 가질 수 있다. 전형적인 웨이퍼 홀더(116)는 웨이퍼의 틸팅 및/또는 회전을 가능하게 하는 플레이튼일 수 있다. 저온 이온 주입 동안, 웨이퍼는 웨이퍼 홀더(116)에 의해 능동적으로 또는 계속적으로 냉각될 필요가 없을 수 있다. 따라서, 기존의 웨이퍼 플레이튼은 냉각 구성요소들을 수용하기 위하여 변경될 필요가 없다. 이 경우에 있어서, 바람직하게는, 웨이퍼 홀더(116)는 그 위에 고정된 상기 웨이퍼로부터 열적으로 절연되어 있다. 정전기적 클램프(ESC 또는 E-척)가 상기 웨이퍼를 적절히 유지하기 위해 사용될 수 있다. 추가적으로, 저-접촉-영역(low-contact-area) E-척이 사용될 수 있으며, 이 경우에 있어서 작은 메사(mesa) 구조물들은 상기 웨이퍼 후면과 최소의 접촉으로 (예를 들면, 상기 웨이퍼 표면의 약 1 퍼센트만이 접촉됨) 상기 웨이퍼를 지지할 수 있다. 상기 웨이퍼와 상기 플레이튼 사이의 열 접촉을 추가적으로 감소시키기 위하여, 이온 주입을 위해 상기 웨이퍼가 로딩되기 전에 상기 웨이퍼로부터 기체를 빼는 것이 바람직할 수 있다.
웨이퍼 로딩 어셈블리(106)는 예비-냉각 스테이션(102) 및 엔드 스테이 션(104) 내의 웨이퍼를 로딩 또는 언로딩하는 데 적합한 로봇 암(112)을 포함할 수 있다. 웨이퍼 로딩 어셈블리(106)는 일반적인 자동화 웨이퍼 핸들링 시스템의 일부 일 수 있다. 로드락(118) 및 로드락(120)은 예비-냉각 스테이션(102) 및 엔드 스테이션(104)으로 로봇 암(112)의 접근을 각각 허용할 수 있다.
컨트롤러(108)는 입력/출력 및 저장 소자들뿐만 아니라 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러 또는 이와 유사한 계산 장치를 포함할 수 있다. 컨트롤러(108)는 냉각 유닛(110) 및 웨이퍼 로딩 어셈블리(106)와 연결되어 웨이퍼들의 로딩/언로딩 및 냉각을 제어한다. 각각의 웨이퍼의 이온 주입 이전에, 컨트롤러(108)는 웨이퍼 로딩 어셈블리(106)가 웨이퍼를 예비-냉각 스테이션(102)의 웨이퍼 홀더(114) 상으로 로딩 하도록 한다. 컨트롤러(108)는 이어서 냉각 유닛(110)이 상기 웨이퍼를 기 설정된 온도 범위로 냉각시키도록 냉각 유닛(110)을 제어한다. 원하는 온도 범위에 도달하면, 컨트롤러(108)는 웨이퍼 로딩 어셈블리(106)가 상기 웨이퍼를 예비-냉각 스테이션(102)으로부터 언로딩하고 엔드 스테이션(104)으로 이송하도록 제어한다. 즉, 상기 웨이퍼는 웨이퍼 홀더(116) 상에 의하여 특정 레시피에 따른 이온 주입을 받게 된다. 이온 주입이 완료되면, 컨트롤러(108)는 상기 웨이퍼가 엔드 스테이션(104)으로부터 언로딩되도록 제어한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 이온 주입을 위한 다른 예시적인 시스템(200)을 나타내는 블록 다이어그램이다. 본 도면은 기존의 이온 주입기가 저온 이온 주입을 위해 변경되는 예시를 나타낸다.
시스템(200)은 기존의 이온 주입기의 엔드 스테이션을 근거로 한다. 상기 엔 드 스테이션은 공정 챔버(202) 및 로드락들(210, 212)을 포함할 수 있다. 공정 챔버(202) 내부에는, 웨이퍼 플레이튼(206), 예비-냉각기(208), 및 이송 로봇들(214, 216)이 구비될 수 있다. 웨이퍼 플레이튼(206)은 이온 주입 동안 웨이퍼를 유지하고, 이 경우에 있어서 상기 웨이퍼는 실질적으로 웨이퍼 플레이튼(206)으로부터 열적으로 절연되어 있다.
예비-냉각기(208)는 웨이퍼 오리엔터(orienter)로 사용된 것으로부터 변경된 구성요소일 수 있다. 플랫 에지, 노치, 또는 웨이퍼의 다른 구별되는 형상들을 별문제로 하고, 예비-냉각기(208)는 이제 이온 주입 이전에 상기 웨이퍼를 원하는 온도 범위로 예비-냉각시키는 추가적인 목적을 제공한다. 이와 다르게, 예비-냉각기(208)는 단지 상기 웨이퍼의 예비-냉각의 목적을 제공하고, 상기 웨이퍼 오리엔팅 기능은 상기 이온 주입기의 내부 또는 외부의 다른 위치에 다시 배치될 수 있다. 예비-냉각된 웨이퍼가 여전히 오리엔터를 통과하여야 한다면, 이러한 오리엔터를 열적으로 절연시켜 상기 웨이퍼의 원하지 않는 온도 상승을 방지하는 것이 바람직하다. 결빙 문제들을 최소화하기 위하여, 예비-냉각기(208)는 웨이퍼 플레이튼(206)의 진공 공간으로부터 분리된 진공 공간 또는 챔버에 위치하는 것이 바람직하다. 분리된 진공 공간 또는 챔버들은 또한 동일한 시간에 다른 웨이퍼가 이온 주입을 받을 동안 하나의 웨이퍼가 예비-냉각되어, 상기 예비-냉각 및 상기 이온 주입 공정들 사이에 과도한 간섭들이 일어나지 않도록 할 수 있다.
동작에 있어서, 대기압 로봇(도시되지 않음)은 웨이퍼(20)를 대기압으로부터 진공 밸브(211)를 통해 로드락(210)으로 도입할 수 있다. 로드락(210)이 펌프(도시 되지 않음)에 의해 진공화되면, 공정 챔버(202)의 입구에 있는 게이트 밸브(205)가 개방될 수 있다. 웨이퍼(20)는 이송 로봇(214)에 의해 예비-냉각기(208) 상으로 이송될 수 있다. 예비-냉각기(208)는 웨이퍼(20)를 기 설정된 온도 범위로 냉각시킬 수 있다. 예비-냉각기(208)는 또한 웨이퍼(20)의 중심 및 이의 결정 방향을 확인할 수 있다. 원하는 온도에 도달하면, 다른 이송 로봇(216)은 웨이퍼(20)를 웨이퍼 플레이튼(206)의 중심 상에 웨이퍼(20)의 결정격자를 선택된 방향으로 하여 로딩할 수 있다. 여기서 도시된 웨이퍼 플레이튼(206)은 수평 로딩 방향에 있다. 이 위치에 있어서, 상기 웨이퍼는 이온 빔(22)이 공정 챔버(202)로 들어오는 높이보다 높게 위치할 수 있다. 웨이퍼 플레이튼(206)은 스캐너 메커니즘(204)에 의해 이온 빔(22)의 방향에 직교하는 수평축에 대해 회전될 수 있다. 이어서, 웨이퍼(20)는, 예를 들면, 스캐너 메커니즘(204)에 의해 이온 빔(22)을 통해 위아래로 스캐닝된다. 상기 스캐닝 동안, 웨이퍼(20)는 상기 이온 주입 공정의 요구사항들에 따라, 예를 들면, 수직하게, 또는 ±60도 사이의 다른 각도로 회전될 수 있다.
상기 웨이퍼의 인-시튜 냉각은 이온 주입 동안에는 요구되지 않으므로, 냉각 목적들을 위해 웨이퍼 플레이튼(206)을 변경할 필요가 없을 수 있다. 그러나, 웨이퍼 플레이튼(206)이 상기 웨이퍼로부터 열적으로 절연되어 상기 웨이퍼의 온도 상승을 감소시키는 것이 바람직할 수 있다.
이온 주입이 완료된 후에, 이송 로봇(216)은 웨이퍼(20)를 언로딩하여 로드락(212)으로 이송한다. 공정 챔버(202)와 비교하여 로드락(212)에서의 잔류 습도 레벨에 의존하여, 웨이퍼(20)를 로드락(212)으로 이송하기 전에 웨이퍼(20)를 어느 정도 가열하는 것이 바람직할 수 있다. 로드락(212)에 있는 동안, 상기 웨이퍼의 온도가 이슬점보다 높아질 때까지 자체적으로 또는 보조 가열을 통해 상기 웨이퍼의 온도가 상승된다. 이어서 로드락(212)을 대기로 개방하고 상기 웨이퍼 또는 웨이퍼들을 언로딩하는 것이 안전할 수 있다. 이와 다르게, 예열 스테이션이 구비되어 상기 저온 이온 주입 공정 이후에 상기 웨이퍼의 온도를 이슬점보다 높게 할 수 있다. 상기 예열 스테이션은, 복합 예열 스테이션/예비-냉각기 역시 가능하지만, 예비-냉각기로부터 분리되는 열 조절 유닛일 수 있다. 열 센서들 및 관련된 전기장치들은 상기 예열 스테이션에서의 피드백 제어를 제공하여 웨이퍼가 원하는 온도 범위로 가열되는 것을 보장할 수 있다. 상기 웨이퍼의 가열은 열 램프들의 뱅크(예를 들면, 적외선 또는 다른 전자기적 주파수들), 상기 웨이퍼의 플레이튼 지지대에 일체화된 열전기 및/또는 저장 장치들, 및/또는 상기 웨이퍼 지지대의 가열된 유체의 순환을 포함하는 수많은 방법들로 달성될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명의 또 다른 실시예들에 있어서, 예비-냉각 공정은 상술한 바와 같은 예비-냉각기(208) 상에서 일어나지 않고, 상기 로드락들 중 하나에서 일어날 수 있다. 예를 들면, 로드락들(210)은 냉각 메커니즘을 포함하거나 이에 연결되도록 변경되어, 로드락(210) 내로 로딩된 하나 또는 그 이상의 웨이퍼들이 이온 주입을 위한 공정 챔버(202)로 로딩되기 전에 냉각될 수 있다. 다시 말하면, 로드락은 예비-냉각 스테이션으로 변경 또는 사용될 수 있다. 예비-냉각기/로드락 조합의 경우에 있어서, 저온 이온 공정 이후에 웨이퍼의 온도를 예열시키기 위한 가열 성능들을 포함하는 것 역시 바람직할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 예비-냉각 및/또는 사후-가열 성능들 모두 또는 일부들이 이송 로봇이 변경된 엔드-이펙터(end-effector)(또는 다른 구성요소)와 함께 구비될 수 있다. 추가적으로, 하나 또는 그 이상의 열 센서들 및 다른 제어 전자장치들이 상기 이송 로봇의 냉각/가열 메커니즘과 관련하여 구비될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 저온 이온 주입의 장점들을 도출하기 위해서 기존의 이온 주입기에 약간의 변경들만이 필요할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 다른 저온 이온 주입을 위한 예시적인 예비-냉각 스테이션(300)을 나타내는 블록 다이어그램이다. 예비-냉각 스테이션(300)은 상부에 배치된 웨이퍼(30)를 유지 및 냉각시킬 수 있는 웨이퍼 홀더(302)를 포함할 수 있다. 웨이퍼 홀더(302)는 일반적으로 자신의 예비-냉각 공정 동안 상기 웨이퍼를 기울이거나 회전할 필요가 없으므로 단순히 고정된 플레이튼일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 웨이퍼는 후면측 가스(예를 들면, 질소)와 함께 웨이퍼 홀더(302)에 연결될 수 있다. 상술한 바와 같이, 예비-냉각 스테이션(300)은 웨이퍼(30)를 원하는 온도 범위로 할 수 있는 다수개의 냉각 기술들 중 일부를 채용하는 냉각 메커니즘을 포함할 수 있다. 예를 들면, 후방 냉각 어셈블리(304)는 웨이퍼(30)의 후면측을 냉각시킬 수 있고, 또는 전방 냉각 어셈블리(308)는 웨이퍼(30)의 전면측을 냉각시킬 수 있다. 후방 냉각 어셈블리(304)는 웨이퍼(30)와 직접적으로 접촉하여 열 싱크(구체적으로 도시되지 않음)를 제공하고 파이프라인(306)을 통해 냉각제(예를 들면, 물, 냉각 질소)를 순환시킬 수 있다. 후방 냉각 어셈블 리(304)는 또한 냉각제(예를 들면, 암모니아(NH3))의 상태 변화의 장점을 이용하여 웨이퍼(30)를 실질적으로 동일한 온도로 지속적으로 냉각할 수 있다. 후방 냉각 어셈블리(304)는 또한 웨이퍼(30)의 후면측으로부터의 열을 직접적으로 이송하는 일체형 저온펌프(구체적으로 도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 이와 다르게, 후방 냉각 어셈블리(304)는 열전기적 냉각을 위한 (적층된) 펠티어(Peltier) 장치들(구체적으로 도시되지 않음)의 배열을 포함할 수 있다. 전방 냉각 어셈블리(308)는 이와 유사하게 빠르고 정확한 웨이퍼(30)의 냉각을 달성하는 다양한 냉각 기술들 중 일부를 수행할 수 있다.
냉각 성능들에 추가적으로, 웨이퍼 홀더(302)는 또한 자동 웨이퍼 핸들링을 수용할 수 있다. 예를 들면, 로봇 암들에 의해 로딩 및 언로딩 동안 웨이퍼 이송 평면에서 웨이퍼(30)를 유지하는 한 세트의 리프트 핀들(310)이 구비될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 이온 주입을 위한 예시적인 방법을 나타내는 흐름도이다.
단계 402에서, 이온 주입을 받게 될 웨이퍼는 예비-냉각 스테이션으로 로딩될 수 있다. 상기 예비-냉각 스테이션은 이온 주입기의 엔드 스테이션에 인접하게 위치할 수 있다. 또한, 상기 예비-냉각 스테이션은 바람직하게 상기 엔드 스테이션의 진공 공간으로부터 분리된 진공 공간을 가질 수 있다. 실시예들에 있어서, 상기 웨이퍼는 실내 온도 이하로 이미 냉각된 한 묶음의 웨이퍼들을 포함한 로드락으로부터 로딩되어 상기 예비-냉각 스테이션에서 상기 예비-냉각 공정의 시간을 단축할 수 있다.
단계 404에서, 상기 예비-냉각 스테이션 내부의 웨이퍼는 원하는 온도 범위로 냉각될 수 있다. 상술한 바와 같이, 이러한 예비-냉각 공정은 현재 알려져 있거나 추후에 개발될 일부의 냉각 기술들을 채용할 수 있다. 상기 예비-냉각 공정은 이온 주입 공정의 시간과 비슷한 40-60 초의 시간이 걸릴 수 있다.
단계 406에서, 상기 웨이퍼는 캐리어 플레이트와 같은 다른 물체와 선택적으로 부착되어 증가된 열용량을 달성할 수 있다. 상기 웨이퍼와 상기 캐리어 플레이트 모두가 상기 예비-냉각 온도에 있을 때에는, 상기 웨이퍼 온도로 상승시키는 데 이온 빔으로부터 더 많은 열 이동이 필요할 수 있다. 그 결과, 이온 주입 동안 상기 웨이퍼의 약간의 온도 증가가 완화될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 이온 주입을 위한 예시적인 웨이퍼 부착물들을 나타낸다. 도 5a는 웨이퍼의 후면측에 부착된 캐리어 플레이트(504)를 나타낸다. 캐리러 플레이트(504)는 웨이퍼(502)보다 더 큰 질량(예를 들면, 웨이퍼(502)의 무게보다 4-5배)을 갖는 메탈 플레이트일 수 있다. 상기 이온 빔으로부터 전달된 열의 일부는 캐리어 플레이트(504)에 의해 흡수될 수 있으므로, 웨이퍼(502)는 이온 주입 동안 그리 크지 않은 온도 증가를 경험할 수 있다. 상기 캐리어 플레이트는 E-척 상에 정전기적 클램핑을 수용하도록 설계될 수 있다. 따라서, 상기 캐리어 플레이트는 적절한 도전성 및/또는 분극률을 갖는 표면 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 클램핑과 좋은 도전성을 위한 얇은 막을 갖는 복합 금속 캐리어가 적당할 수 있다. 실시예들에 있어서, 상기 캐리어 플레이트는 상기 캐리 어 플레이트가 어떤 전기적 접촉들에 의해 고정될 때 활성화될 수 있는 일체화된 가열 및/또는 냉각 메커니즘들을 포함할 수 있다.
도 5b는 웨이퍼(506)의 후면측에 부착된 또 다른 웨이퍼(508)를 나타낸다. 웨이퍼(508)는 웨이퍼(506)와 동일하거나 다른 형태 및/또는 형상을 가질 수 있다. 바람직하게는, 웨이퍼(508)는 웨이퍼(506)에 비해 적어도 무거울 수 있으며, 이에 따라 웨이퍼(506)의 열용량은 적어도 절반으로 감소될 수 있다.
웨이퍼와 또 다른 무거운 물체(예를 들면, 캐리어 플레이트 또는 다른 웨이퍼)사이의 부착은 수많은 방법들로 이루어질 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 웨이퍼의 후면측은 이산화탄소(CO2)와 같은 화합물과 함께 지지 표면에 클램프될 수 있다. 이어서 상기 웨이퍼 및 이의 부착물은 냉각되고 CO2의 승화 온도 이하로 유지되어 이들은 함께 클램프된다. 이후에 상기 웨이퍼는 단순히 가열되고 상기 CO2를 펌핑함으로써 부착물로부터 분리된다. 이러한 웨이퍼 클램핑 기술의 상세한 내용은 미국특허 제6,686,598호에 개시되어 있으며, 전체로서 본원에 병합된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 온도 센서(또는 열 센서) 및/또는 관련된 전자장치들은 상기 웨이퍼 부착물(예를 들면, 캐리어 플레이트 또는 또 다른 웨이퍼)에 일체화될 수 있다. 상기 온도 센서는 상기 예비-냉각 공정 동안, 웨이퍼 이송 동안, 및/또는 이온 주입동안 상기 웨이퍼 온도를 모니터할 수 있다. 상기 온도 센서는 유선 또는 무선 연결을 통해 측정 데이터를 전송하여 예를 들면, 상기 예비-냉각 공정의 피드백 제어를 원활하게 할 수 있다.
단계 408에 있어서, 상기 예비-냉각된 웨이퍼(및 이의 부착물)는 이온 주입을 위해 상기 엔드 스테이션으로 로딩될 수 있다. 상기 엔드 스테이션은 일반적으로 단일-웨이퍼 공정 챔버일 수 있다. 이온 주입 동안, 상기 웨이퍼는 상기 엔드 스테이션의 모든 구성요소들로부터 열적으로 절연되어 상기 웨이퍼로의 열전달은 상기 이온 빔 또는 주변 복사로부터만 이루어질 수 있다. 이온 주입은 고진공에서 일어나므로, 상기 웨이퍼의 고립은 주로 상기 웨이퍼 및 상기 웨이퍼 플레이튼 사이에서의 적절한 절연을 요구할 수 있다. 상기 웨이퍼 및 상기 웨이퍼 플레이트 사이의 절연이 완벽하지 않을지라도, 이들 사이의 잔류하는 열전도는 작거나 종종 무시할 수 있을 것이다.
상기 웨이퍼의 온도 변화는 이온 주입 동안, 예를 들면, 열전대(thermocouple) 또는 고온계(pyrometer)를 사용하여 모니터될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 바람직하게는 비접촉형의 온도 센서는 인-시튜 온도 모니터링을 위해 상기 이온 주입 공정 챔버에 설치될 수 있다. 이와 다르게, 온도 센서는 상기 웨이퍼가 부착되는 캐리어 플레이트에 일체화될 수 있다. 각 경우에 있어서, 상기 온도 측정 데이터는 유선 또는 무선 연결에 의해 컨트롤러 유닛에 전달될 수 있다. 이러한 온도 측정 데이터는 상기 이온 주입 공정의 피드백 제어를 위해 사용될 수 있다. 상기 웨이퍼 온도가 너무 빠르게 상승되면, 상기 이온 주입 공정을 중지하고 상기 웨이퍼를 다시 냉각시킬 필요가 있을 수 있다. 이 경우에 있어서, 하나의 이온 주입 레시피가 상기 냉각 및 주입 공정들을 변경시키면서 여러 단계들에서 수행될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 웨이퍼는 -70℃로 예비-냉각되고 상기 이온 주입 공정의 상기 엔드 스테이션에서는 -50℃로 상승될 수 있다.
특정한 이온 주입 레시피와 함께, 특정한 웨이퍼에 대한 온도 상승의 정도를 예측하는 것이 가능하다. 따라서, 상기 웨이퍼는 이러한 예측에 근거한 온도 범위로 예비-냉각되어, 상기 이온 주입 공정의 상기 엔드 스테이션에서의 웨이퍼 온도가 허용할 수 있는 범위 내에 유지되도록 할 수 있다.
단계 410에 있어서, 상기 웨이퍼는 이온 주입의 완료시에 상기 엔드 스테이션으로부터 즉시 제거될 수 있다. 결빙 문제들을 감소하거나 회피하기 위하여 상기 저온 웨이퍼에 대하여 상기 엔드 스테이션(및 이의 구성요소들)의 노출을 최소화하는 것이 바람직하다. 추가적으로, 상기 이온 빔에 의한 계속되는 가열을 회피하기 위하여, 상기 이온 주입 공정이 완료된 이후에는 상기 엔드 스테이션으로 들어가는 이온 빔을 완벽하게 차단하는 것이 바람직하다.
단계 412에 있어서, 상기 웨이퍼는 대기로 노출되기 전에 이슬점 이상으로 가열될 수 있다. 상기 가열 공정은 상기 웨이퍼의 온도가 자체적으로 상승되는 수동적인 공정 또는 상기 웨이퍼가 램프 또는 다른 가열 장치들에 의해 가열되는 능동적인 공정일 수 있다. 이와 다르게, 상기 웨이퍼는 건조하고/또는 따뜻한 가스에 노출됨으로써 가열될 수 있다.
도 4에 도시된 공정은 예비-냉각 단계(예를 들면, 단계 404), 이온 주입 단계(예를 들면, 단계 408), 및 사후-주입 단계(예를 들면, 단계 410)로 구분될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 세 개의 단계들 각각 동안 적절한 범위 내로 웨이퍼 온도를 유지하는 것이 바람직하다. 일반적으로 상기 이온 주입 단계 동안 상기 웨이퍼 온도는 약 -200℃ 및 0℃ 사이의 범위 이내이다. 예를 들면, 특정한 이온 주입 공정에 있어서, 상기 이온 주입 단계에서의 상기 웨이퍼 온도 범위는 -100℃ 내지 -70℃이다. 이온 주입에 의해 예상되는 온도 증가는 상기 웨이퍼에 대하여 계산되어, 대응하는 더 낮은 온도 범위가 상기 예비-냉각 단계를 위해 (즉, 예비-냉각 온도) 선택될 수 있다. 상기 사후-주입 단계를 위한 온도 범위는 상기 엔드 스테이션의 다양한 부분들에서의 이슬점 및 잔류 습도 레벨에 기초하여 선택될 수 있다. 전형적인 사후-주입 웨이퍼 온도 범위는, 낮은 이슬점 온도에는 더 낮은 범위가 적절할 수 있겠지만, 20℃ 내지 40℃일 수 있다. 일반적으로, 상기 이온 주입 공정 챔버는 높은 진공에 있으며 더 낮은 습도 레벨을 가질 수 있다. 상기 웨이퍼가 상기 공정 챔버로부터 언로딩 되기 전에 상기 웨이퍼를 어느 정도까지 가열하는 것이 바람직하다. 일 실시예에 있어서, 상기 공정 챔버에 비해 비교적 낮은 습도 레벨을 갖는 사후-주입 가열 스테이션을 제공하여, 차가운 웨이퍼가 이온 주입 이후에 상기 공정 챔버로부터 즉시 제거되도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 이어서, 상기 가열 스테이션은 상기 웨이퍼가 언로딩을 위해 로드락으로 안전하게 이송될 때까지 상기 웨이퍼를 가열할 수 있다.
실시예들에 있어서, 상술하거나 이와 다른 저온 이온 주입 기술들은 확산이 없는 열처리 공정들과 연결되어 빠른 도펀트 활성화 및 개선된 주입 손상 치유의 목적들을 달성하기 위하여 수행될 수 있다.
이러한 관점에서 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 저온 이온 주입을 위한 기술은 일반적으로 입력 데이터의 처리와 출력 데이터의 생성을 어느 정도까지 포 함한다. 예를 들면, 특정한 전자 구성요소들은 본 발명에 따른 저온 이온 주입과 관련한 기능들을 수행하기 위한 이온 주입기 또는 유사하거나 관련된 회로 소자에 채용될 수 있다. 이와 다르게, 저장된 명령어들에 따라 동작하는 하나 또는 그 이상의 프로세서들은 상술한 본 발명에 따른 저온 이온 주입과 관련된 기능들을 수행할 수 있다. 이러한 경우라면, 상기 명령어들이 하나 또는 그 이상의 프로세서 판독 가능한 캐리어들(예를 들면, 자기 디스크) 상에 저장되거나, 하나 또는 그 이상의 신호들을 통해 하나 또는 그 이상의 프로세서들에 전달될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (35)

  1. 이온 주입기의 엔드 스테이션에 인접하게 위치하는 예비-냉각 스테이션;
    상기 예비-냉각 스테이션 내의 냉각 메커니즘;
    상기 예비-냉각 스테이션 및 상기 엔드 스테이션에 연결된 로딩 어셈블리; 및
    상기 로딩 어셈블리 및 상기 냉각 메커니즘과 연결되어 웨이퍼를 상기 예비-냉각 스테이션으로 로딩, 상기 웨이퍼를 기 설정된 온도 범위로 냉각, 및 상기 냉각된 웨이퍼를 이온 주입 공정을 받게 되는 상기 엔드 스테이션으로 로딩하는 것을 조정하는 컨트롤러를 포함하고,
    상기 이온 주입 공정에 의한 온도 상승양은 상기 웨이퍼에 대해 예상되고, 상기 컨트롤러는 상기 웨이퍼가 상기 예상된 온도 상승양의 적어도 일부에 기초하여 냉각되어 상기 이온 주입 공정 동안 상기 웨이퍼의 과열을 회피하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 저온 이온 주입 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 예비-냉각 스테이션은 제1 진공 공간을 형성하고, 상기 엔드 스테이션은 상기 제1 진공 공간과 분리된 제2 진공 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 저온 이온 주입 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 이온 주입기는 상기 엔드 스테이션에서 한번에 하나의 웨이퍼를 처리하는 단일-웨이퍼 이온 주입기인 것을 특징으로 하는 저온 이온 주입 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 추가적으로 상기 로딩 어셈블리가 상기 이온 주입 공정 이후에 상기 웨이퍼를 상기 엔드 스테이션으로부터 즉시 제거하도록 하는 것을 특징으로 하는 저온 이온 주입 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 엔드 스테이션은 상기 이온 주입 공정 동안 상기 웨이퍼를 유지하는 플레이튼을 포함하고, 상기 웨이퍼는 상기 플레이튼으로부터 열적으로 고립되는 것을 특징으로 저온 이온 주입 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 플레이튼은 상기 웨이퍼를 지지하는 다수개의 메사(mesa) 구조물들을 포함하여, 상기 플레이튼과 상기 웨이퍼 사이의 전체 접촉 면적은 상기 웨이퍼 표면보다 더 적은 것을 특징으로 하는 저온 이온 주입 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 플레이튼은 상기 웨이퍼의 틸팅 및 회전을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 저온 이온 주입 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 예비-냉각 스테이션은 냉각을 위해 상기 웨이퍼를 유지하는 고정된 플레이튼을 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 이온 주입 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 고정된 플레이튼은 상기 로딩 어셈블리에 의한 로딩 및 언로딩을 수행하기 위한 리프트 핀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 이온 주입 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 웨이퍼는 더 큰 열용량을 달성하기 위한 물체에 부착되어 상기 웨이퍼는 상기 이온 주입 공정 동안 더 작은 온도 상승을 경험하는 것을 특징으로 하는 저온 이온 주입 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 물체는 상기 웨이퍼보다 더 무거운 캐리어 플레이트인 것을 특징으로 하는 저온 이온 주입 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 웨이퍼는 자신의 승화 온도 이하에서 이산화탄소와 함께 상기 캐리어 플레이트에 부착되는 것을 특징으로 하는 저온 이온 주입 장치.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 캐리어 플레이트는 일체화된 적어도 하나의 열 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 이온 주입 장치.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 캐리어 플레이트는 일체화된 냉각/가열 메커니즘을 갖는 것을 특징으로 하는 저온 이온 주입 장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 이온 주입 공정은 플라즈마 도핑 공정의 일부인 것을 특징으로 하는 저온 이온 주입 장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 메커니즘은 가스 냉각, 냉각제 순환, 냉각제 상태 변화, 펠티어(Peltier) 열전달, 및 내장된 저온 펌프(cryopump)로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 기술들에 근거하여 상기 웨이퍼를 냉각하는 것을 특징으로 하는 저온 이온 주입 장치.
  17. 삭제
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 예비-냉각 스테이션은 상기 엔드 스테이션에 연결되는 로드락의 일부인 것을 특징으로 하는 저온 이온 주입 장치.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 예비-냉각 스테이션과 상기 냉각 메커니즘의 적어도 일부는 상기 로딩 어셈블리로 병합되는 것을 특징으로 하는 저온 이온 주입 장치.
  20. 웨이퍼를 제1 진공 공간으로 로딩하는 단계;
    상기 웨이퍼가 상기 제1 진공 공간에 있는 동안 상기 웨이퍼를 기 설정된 온도 범위로 냉각시키는 단계;
    상기 냉각된 웨이퍼를 상기 제1 진공 공간으로부터 분리된 제2 진공 공간으로 로딩하는 단계; 및
    상기 제2 진공 공간에서 상기 냉각된 웨이퍼 상에 이온 주입 공정을 수행하는 단계를 포함하는 저온 이온 주입 방법이고,
    상기 방법은,
    상기 이온 주입 공정에 의해서 상기 웨이퍼에 대한 온도 상승양을 예측하는 단계; 및
    상기 예측된 온도 상승양의 적어도 일부에 기초하여 상기 웨이퍼를 냉각하여 상기 이온 주입 공정 동안 상기 웨이퍼의 과열을 회피하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 이온 주입 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 웨이퍼가 상기 이온 주입 공정 동안 더 작은 온도 증가를 경험하도록 상기 웨이퍼의 후면측에 캐리어 플레이트를 부착하여 더 큰 열용량을 얻는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 이온 주입 방법.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 이온 주입 공정 이후에 상기 웨이퍼를 상기 제2 진공 공간으로부터 즉시 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 이온 주입 방법.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 이온 주입 공정 이후에 상기 웨이퍼의 온도를 이슬점 이상으로 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 이온 주입 방법.
  24. 삭제
  25. 제 20 항에 있어서,
    상기 이온 주입 공정을 중지하는 단계;
    상기 웨이퍼를 원하는 온도로 재-냉각하는 단계; 및
    상기 이온 주입 공정을 재개하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 이온 주입 방법.
  26. 제 20 항에 있어서, 상기 이온 주입 공정은 플라즈마 도핑 공정의 일부인 것을 특징으로 하는 저온 이온 주입 방법.
  27. 제 20 항에 있어서,
    상기 이온 주입 공정 이전에 상기 웨이퍼로부터 기체를 빼는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 이온 주입 방법.
  28. 제 20 항에 있어서,
    상기 이온 주입 공정 이후에 확산이 없는 열처리를 수행하는 단계를 더 포함 하는 것을 특징으로 하는 저온 이온 주입 방법.
  29. 삭제
  30. 제 20 항에 기재된 방법을 수행하기 위하여 컴퓨터 프로세서를 실행하도록 지시하는 적어도 하나의 프로세서의 의해 판독 가능하도록 구성된 명령어들의 컴퓨터 프로그램을 저장하기 위한 프로세서 판독 가능한 캐리어.
  31. 적어도 하나의 엔드 스테이션;
    상기 적어도 하나의 엔드 스테이션에 인접하게 위치하며, 냉각 메커니즘을 갖는 적어도 하나의 예비-냉각 스테이션;
    상기 적어도 하나의 엔드 스테이션 및 상기 적어도 하나의 예비-냉각 스테이션에 연결된 로딩 어셈블리; 및
    웨이퍼가 상기 엔드 스테이션으로 로딩되어 이온 주입 공정이 수행되기 전에 상기 웨이퍼를 상기 적어도 하나의 예비-냉각 스테이션으로 로딩시키고 기 설정된 온도 범위로 냉각시키도록 구성된 컨트롤러를 포함하고,
    상기 이온 주입 공정에 의한 온도 상승양은 상기 웨이퍼에 대해 예상되고, 상기 컨트롤러는 상기 웨이퍼가 상기 예상된 온도 상승양의 적어도 일부에 기초하여 냉각되어 상기 이온 주입 공정 동안 상기 웨이퍼의 과열을 회피하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 이온 주입기.
  32. 삭제
  33. 삭제
  34. 삭제
  35. 삭제
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