KR101939558B1 - 반도체 제조용 이온주입장치의 전자 에미터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체를 제조하기 위한 이온주입장치에서 간접가열방식에 의하여 전자를 방출하는 표면을 제공하는 이온주입장치의 전자 에미터로서, 내열금속으로 이루어지고 내부에 필라멘트를 수용할 수 있는 공간이 형성된 에미터 바디와, 상기 에미터 바디의 내부에 형성된 공간에 노출되고 상기 필라멘트에서 발생된 전자와 충돌하는 전자수용 표면과, 상기 전자수용 표면의 반대면으로서 간접가열방식에 의하여 열 전자를 방출하는 전자방출 표면을 포함하고, 상기 에미터 바디는 0＜x≤3인 La_xO_4-0.5x의 산화물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 제조용 이온주입장치의 전자 에미터{Electron emitter of ion implanter for manufacturing of semiconductor}

본 발명은 반도체 제조용 이온주입장치의 전자 에미터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이온주입장치의 이온발생부에서 간접가열방식에 의하여 전자를 방출하는 전자 에미터에 관한 것이다.

반도체 소자의 제조공정은 크게 증착공정, 포토공정, 식각공정, 이온주입공정으로 이루어진다. 증착공정은 반도체 소자의 전도막 또는 절연막을 형성하는 공정으로서 스퍼터링, 화학증기증착 공정 등이 이용되고, 포토공정은 식각공정의 전단계로서 소정의 패턴을 가지는 광마스크로 감광성수지를 패터팅하는 공정이며, 식각공정은 상기 감광성수지 패턴을 이용하여 하부의 전도막 또는 절연막을 패터닝하는 공정이다.

이온주입공정은 실리콘 웨이퍼 상에 형성되는 전자소자의 동작특성을 제어하기 위한 공정으로서, 종래에는 열확산을 이용하여 불순물을 막의 내부에 도핑하는 공정이 이용되었으나, 최근에는 일정한 에너지를 가지는 이온을 막의 내부에 침투시켜 불순문을 도핑하는 이온주입법이 주로 이용되고 있다.

이온주입법을 이용한 불순물 도핑공정은 열확산 공정에 비하여 불순물의 농도 제어가 용이하고, 도핑되는 깊이를 조절하거나 한정하는데 유리하다는 장점을 가지고 있다. 이온주입법에는 이온주입장치라는 장치가 이용되는데, 이온주입장치는 불순물을 도핑할 이온을 생성시키는 이온발생부와 발생된 이온의 종류와 에너지를 제어하는 이온분석부로 이루어진다.

이온주입장치의 이온발생부는 전자 방출체를 가열하여 열전자를 방출시키고, 방출된 열전자를 전기장에 의하여 가속시키면서 주입된 이온소스가스와 충돌시켜서 이온을 발생시키게 된다. 이때 전자 방출체를 가열하는 방식은 필라멘트에 전류를 흘려 저항가열 방식으로 온도를 상승시키는 직접가열방식과, 필라멘트에서 방출된 전자를 바이어스로 끌어당겨 충돌된 전자에 의하여 전자 방출체를 가열하는 간접가열방식으로 나뉜다. 이때, 간접가열방식은 필라멘트 소재의 열화를 방지할 수 있어서 부품의 교환주기를 향상시킬 수 있는 장점을 가진다.

이온주입장치의 전자방출부에 관한 선행문헌으로는 일본등록특허 제3615096호가 있다. 상기 선행문헌은 용기 내에 플라스마를 발생시킬 수 있는 가스를 도입하는 가스 도입 수단과, 상기 용기 내에 배치된 필라멘트에서 방출된 열전자에 의해 상기 가스의 플라스마를 발생시킴으로써 원하는 이온을 발생시킬 수 있는 플라스마 발생 수단과, 상기 용기 내에 발생한 이온을 상기 용기 외에 도출하는 이온 도출 수단을 가지며, 상기 필라멘트가 고융점 금속과 희토류 원소 내지 희토류 산화물을 함유하고, 상기 고융점 금속이 텅스텐이며, 상기 희토류 원소가 랜턴, 세륨, 이트륨 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이온 발생 장치를 개시하고 있다. 그러나, 상기 선행문헌은 희토류 원소가 도핑된 텅스텐 필라멘트의 수명을 향상시키기 위한 구성만을 가지고 있고, 필라멘트의 열 전자 방출 효과 향상에 관한 구체적인 구성을 포함하고 있지 않다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 종래의 이온주입장치용 전자 에미터에 비하여 전자방출 효과가 향상되고, 플라즈마에 대한 내식각성이 향상된 이온주입장치의 전자 에미터를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, 반도체를 제조하기 위한 이온주입장치에서 간접가열방식에 의하여 전자를 방출하는 표면을 제공하는 이온주입장치의 전자 에미터로서, 내열금속으로 이루어지고 내부에 필라멘트를 수용할 수 있는 공간이 형성된 에미터 바디와, 상기 에미터 바디의 내부에 형성된 공간에 노출되고 상기 필라멘트에서 발생된 전자와 충돌하는 전자수용 표면과, 상기 전자수용 표면의 반대면으로서 간접가열방식에 의하여 열 전자를 방출하는 전자방출 표면을 포함하고, 상기 에미터 바디는 0＜x≤3인 La_xO_4-0.5x의 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 이온주입장치의 전자 에미터를 제공한다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 내열금속은 텅스텐이고, 상기 에미터 바디는 La_xO_4-0.5x의 산화물을 0.1 내지 8중량% 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 전자수용 표면 또는 전자방출 표면에는 탄화물이 포함될 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 탄화물은 전자수용 표면 또는 전자방출 표면에서 깊이 방향으로 갈수록 농도가 적어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 내열금속은 금속입자의 소결체로 이루어지고, 상기 탄화물의 농도는 상기 금속입자의 내부보다 상기 소결체의 그레인 바운더리 영역에서 더 높은 것이 바람직하다.

본 발명의 반도체 제조용 이온주입장치의 전자 에미터는 아래의 효과를 가진다.

1. 전자 에미터가 희토류 금속이 도핑된 내열금속으로 이루어져, 도핑이 이루어지지 않은 내열금속으로 이루어진 전자 에미터에 비하여 표면에서의 일 함수가 낮고 따라서 열전자 방출 효과가 우수하다.

2. 내열금속인 텅스텐으로 이루어진 에미터 바디의 표면에 탄화물이 포함되어 희토류 산화물의 환원을 유도할 수 있으므로 표면의 일 함수를 더욱 낮추고, 안정적인 전자 방출을 유도할 수 있다.

3. 전자 에미터 표면에 포함된 탄화물층은 텅스텐에 비하여 할로겐족 이온에 대한 내식각성이 높으므로 플라즈마 환경에서의 전자 에미터의 수명을 연장시킬 수 있다.

도 1은 이온주입기용 이온발생장치의 구조를 도시한 것이다.

본 발명은 반도체를 제조하기 위한 이온주입장치에서 간접가열방식에 의하여 전자를 방출하는 표면을 제공하는 이온주입장치의 전자 에미터로서, 내열금속으로 이루어지고 내부에 필라멘트를 수용할 수 있는 공간이 형성된 에미터 바디와, 상기 에미터 바디의 내부에 형성된 공간에 노출되고 상기 필라멘트에서 발생된 전자와 충돌하는 전자수용 표면과, 상기 전자수용 표면의 반대면으로서 간접가열방식에 의하여 열 전자를 방출하는 전자방출 표면을 포함하고, 상기 에미터 바디는 0＜x≤3인 La_xO_4-0.5x의 산화물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 이온주입장치의 이온발생부(100)를 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 이온발생부(100)는 소정의 공간을 형성하는 아크챔버(104), 상기 아크챔버의 일측에 설치된 전자 에미터(102), 상기 전자 에미터(102)의 내부공간에 설치된 필라멘트(101) 및 상기 전자 에미터(102)에 대향하여 설치된 리펠러(103)를 포함한다.

아크챔버(104)는 이온 생성을 위한 플라즈마가 형성되는 공간을 제공하는데, 일측에 형성된 전자 에미터(102)에서 열 전자가 방출되면, 방출된 전자는 전기장에 의하여 아크챔버 방향으로 가속되면서 가스 주입부(105)로 유입된 도핑가스를 이온화시킨다. 이때, 전자 에미터(102)에 대향하여 설치된 리펠러(103)는 전자를 아크챔버 내부 방향으로 밀어주는 기능을 하고, 마그네트(110a, 110b)는 가속되어 운동하는 전자가 나선운동을 하게 하여 도핑가스와 전자의 충돌 확률을 높인다. 플라즈마에 의하여 생성된 이온은 이온 방출부(106)를 빠져나와 이온 분석부에서 특정 이온이 필터링되어 반도체 기판에 주입된다.

전자 에미터는 텅스텐, 몰리브덴 등의 내열금속을 포함하고, 내부에 빈 공간이 형성되어 필라멘트를 수용할 수 있다. 전자 에미터는 필라멘트에서 방출된 전자가 충돌하는 전자수용 표면과 아크챔버 방향으로 전자를 방출하는 전자방출 표면을 가진다. 필라멘트에서 방출된 열 전자는 전자 에미터에 인가된 바이어스에 의하여 전자수용 표면과 충돌하면서 전자 에미터의 온도를 상승시키고, 전자 에미터의 전자방출 표면에서는 다시 열 전자가 아크챔버로 방출된다.

전자 에미터가 열전자를 방출하기 위해서는 전자 에미터의 온도가 고온으로 유지되어야 하는데, 전자 에미터에서 방출된 열은 아크챔버 내부 표면, 리펠러 등의 온도를 함께 상승시키고, 플라즈마에 노출된 재료의 표면 식각 반응을 촉진시켜 이상방전에 의한 이온발생부의 불량을 유도한다. 따라서 동일한 양의 전자를 방출하는 조건에서 전자 에미터의 온도 상승을 억제하면 이온발생부의 수명을 연장할 수 있다.

금속 재료에서의 표면 온도와 전자방출량은 비례관계를 가진다. 이는 금속 재료의 온도가 올라가면 표면의 전자들 중 일 함수 이상의 에너지를 가지는 전자들이 방출될 수 있기 때문이다. 그러나 내열금속에 희토류 원소가 소정의 양으로 도핑된 경우에는 표면에서의 일 함수가 낮아지게 되고 열전자의 방출이 촉진되는 것으로 알려져 있다. 금속의 온도가 높아지면 금속 내부에 존재하던 희토류 원소 또는 이들의 화합물(주로 산화물)이 표면으로 확산되고, 표면으로 확산된 희토류는 금속 표면의 일 함수를 감소시킨다. 그러나 고온에서 금속 표면으로 확산된 희토류 원소는 표면에서 휘발할 수 있으므로, 특정한 온도에서 전자방출량이 일정하게 유지되지 않고 전자의 방출량이 지속적으로 변화되는 문제점을 가지고 있다.

본 발명에서는 희토류 산화물이 도핑된 내열금속의 표면에 탄화물층을 형성하여 전자의 방출량을 일정하게 유지하도록 한다. 희토류 산화물이 도핑된 금속에서 일 함수가 낮아지기 위해서는 다음과 같은 과정이 수반되어야 한다. 먼저 금속의 온도가 높아짐에 따라 금속 벌크층에 존재하던 희토류 산화물이 표면층으로 확산된다. 이어서 표면으로 확산된 희토류 산화물이 표면층에서 환원되어 희토류 원소 상태로 변화하고 표면에 단일층 또는 부분적인 단일층을 형성한다. 이와 같이 금속 표면에 희토류 원소가 흡착된 상태에서는 표면의 화학적 조성 및 전자적 구조가 변화되면서 일 함수가 낮아져 전자가 방출되기 좋은 조건이 만들어진다. 이때, 금속이 고온을 유지하면 표면의 희토류 원소는 지속적으로 휘발될 수 있기 때문에, 희토류 산화물의 표면 방향으로의 확산과 희토류 원소로의 환원은 지속적으로 이루어져야 한다.

본 발명에 따라 금속 표면에 탄화물이 포함된 경우에는 전자 에미터의 전자 방출량이 증가하고, 특정 온도로 유지된 전자 에미터에서 전자 방출량이 일정하게 유지되는 효과를 가질 수 있다. 이러한 효과는 다음과 같은 메커니즘에 기인하는 것으로 생각된다. 첫 번째로, 금속 표면에 포함된 탄화물은 환원제의 역할을 하여 표면으로 확산된 희토류 산화물이 희토류 원소로 환원되는 것을 도와준다. 만약 금속 표면에서 희토류 산화물이 완전히 환원되지 못한 경우에는 희토류 원소의 표면 농도가 적어서 일 함수의 감소 효과가 낮을 수 있으나, 환원제의 도움으로 희토류 산화물이 효과적으로 환원되면 금속 표면의 일 함수를 효과적으로 낮출 수 있다. 두 번째로, 탄화물은 희토류 산화물의 확산을 도와줄 수 있다. 금속 표면층에 탄화물을 포함시키는 공정은 고온에서 탄소 원자 또는 탄소를 포함하는 화합물이 금속의 표면에서 안쪽으로 확산되는 방법으로 수행될 수 있는데, 이 과정에서 탄화물은 금속입자의 내부보다는 금속입자 사이의 그레인 바운더리에 더 높은 농도로 존재하게 된다. 희토류 산화물의 표면 확산 또한 금속입자 내부보다는 그레인 바운더리를 통해 더욱 효과적으로 일어나게 되고, 희토류 산화물은 그레인 바운더리를 통과하면서 희토류 원소로 환원되며, 환원된 희토류 원소는 산화물에 비하여 상대적으로 높은 이동도를 가지고 표면으로 확산될 수 있다. 세 번째는, 전자 에미터의 전자 방출량을 일정하게 유지시키는 것이다. 특정 온도에서 에미터의 전자 방출량이 일정하게 유지되기 위해서는 금속 표면의 일 함수도 함께 일정하게 유지되어야 한다. 그러나 금속 표면의 희토류 원소가 휘발되어 그 양이 부족하게 되면, 금속 벌크에서 희토류 원소가 공급되기 전에는 전자 방출량이 감소하였다가 희토류 원소가 충분히 공급된 후에는 다시 전자 방출량이 증가하는 현상이 반복된다. 그러나 금속 표면에 탄화물이 포함되어 표면으로 희토류 원소의 공급이 원활하게 이루어지는 경우에는 금속 표면의 희토류 원소 양을 일정하게 유지하여 결과적으로 전자 방출량도 함께 일정하게 유지할 수 있다.

본 발명에 따라 금속 표면에 탄화물이 포함된 전자 에미터가 가지는 또 다른 효과는 플라즈마에 노출된 전자 에미터의 내식각성을 향상시키는 것이다. 이온주입장치의 이온발생부에서 발생하는 플라즈마에는 할로겐족 이온 및 원자가 많이 포함되어 있고, 이러한 할로겐족 이온 및 원자는 지속적으로 노출된 금속을 식각시킨다. 내열금속이 텅스텐이고 할로겐족 원자가 불소인 경우에, 텅스텐의 표면 식각은 불소이온 또는 불소원자가 텅스텐 표면에서 반응하여 텅스텐 불화물이 형성되고, 형성된 텅스텐 불화물이 휘발하는 과정을 통하여 이루어진다. 텅스텐 표면에 탄화물층이 형성된 경우에는 표면의 탄소가 텅스텐 불화물의 생성을 억제하여 텅스텐의 내식각성을 향상시킨다.

본 발명의 반도체 제조용 이온주입장치의 전자 에미터는 간접가열방식에 의하여 전자를 방출하는 표면을 제공하는 기능을 한다. 간접가열방식이란, 도 1에서 확인할 수 있듯이 1차적으로 필라멘트에서 전자를 방출시키고, 전자 에미터에 바이어스를 인가하여 상기 전자를 전자 에미터에 충돌시키는 방식이다. 이를 위하여 전자 에미터의 바디는 내부에 필라멘트를 수용할 수 있는 공간이 형성되어 있고, 상기 전자 에미터 바디에 형성된 공간에 노출되는 전자수용 표면은 필라멘트에서 방출된 전자를 끌어들여 충돌하는 면을 제공하고, 반대면인 전자수용 표면은 플라즈마가 형성되는 공간인 아크챔버 방향으로 전자를 방출하는 면을 제공한다.

전자 에미터 바디는 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨과 같은 내열금속으로 이루어질 수 있고, 상기 내열금속에는 희토류 산화물이 도핑되어 있다. 희토류 산화물은 La_xO_4-0.5x의 산화물일 수 있고(x는 0＜x≤3의 범위에 있는 숫자)이며, 구체적으로 La₂O₃일 수 있다. 내열금속에 희토류 산화물을 도핑하는 방법은 내열금속 파우더와 희토류 산화물 입자를 혼합하여 소결하는 방식으로 수행될 수 있다. 희토류 산화물 입자의 함량은 전자 에미터의 전체 중량에 대하여 0.1 내지 8중량%일 수 있고, 바람직하게는 0.5 내지 5중량%, 더욱 바람직하게는 1 내지 3중량%일 수 있다. 희토류 산화물의 함량이 지나치게 낮으면 금속 벌크에서 공급되는 희토류 산화물의 공급량이 적어서 일 함수 감소 효과가 적어지고, 지나치게 높으면 표면에 희토류 원소가 아닌 희토류 산화물이 많이 존재하여 일 함수 감소 효과가 적어질 수 있다.

전자 에미터 바디는 전자수용 표면 또는 전자방출 표면에 탄화물이 포함될 수 있다. 탄화물은 내열금속 원소와 탄소 원자가 화학적으로 결합한 화합물일 수 있다. 구체적으로 내열금속이 텅스텐인 경우에 탄화물은 텅스텐 세미카바이드(tungsten semi-carbide, W₂C) 또는 텅스텐 모노카바이드(tungsten mono-carbide, WC)일 수 있다. 전자 에미터 바디에 탄화물을 포함시키는 방법은 내열금속입자와 희토류 입자를 혼합하여 소결하는 과정에서 탄소입자를 함께 혼합하는 방법과, 희토류 산화물이 도핑된 내열금속의 표면에서 내부로 탄소를 확산시키는 방법이 있다. 전자의 경우에는 내열금속의 내부까지 탄화물이 형성되고, 탄화물을 형성하지 못한 탄소입자가 그대로 남아 내열금속의 물리적 성질과 화학적 성질을 변화시키는 단점이 있으므로, 후자와 같이 내열금속의 표면에만 탄화물층을 형성시키는 것이 전자 에미터의 내구성 등의 측면에서 유리하다. 희토류 산화물이 도핑된 내열금속 표면에서 내부로 탄소를 확산시키는 방법은 메탄, 에탄 등의 탄소원자 함유 기체 분위기에서 내열금속을 가열하는 방법과, 탄소입자 또는 탄소시트와 내열금속의 표면을 접촉시킨 상태에서 온도를 높이는 방법이 있다. 후자는 전자에 비하여 탄화물 형성 속도가 빠르고, 원하는 부위에만 탄화물층을 형성할 수 있다는 장점을 가진다. 이때, 탄화물은 내열금속의 표면에서 깊이 방향으로 갈수록 탄화물의 농도가 적어지고, 탄화물층의 표면에서 내부로 들어갈수록 탄화물의 탄소원자 양도 적어진다. 내열금속이 텅스텐인 경우에 탄화물층은 표면에서 내부로 들어갈수록 탄소원자의 양이 적어지는데, 표면에는 주로 텅스텐 모노카바이드가, 내부에는 텅스텐 세미카바이드가 형성되면서 연속적 또는 불연속적인 경계의 층 분리가 일어날 수 있다. 또한 내열금속 소결체에서 탄화물 입자는 금속입자의 내부보다는 그레인 바운더리 영역에서 보다 높은 농도를 가진다.

본 발명의 반도체 제조용 이온주입장치의 전자 에미터는 전자 방출량이 증가하므로 이온 발생부의 온도를 낮출 수 있는 효과를 가진다. 이온주입장치용 아크챔버에서는 전자 방출을 위하여 가열된 전자 에미터 전자 에미터에서 열이 아크챔버 월 등에 복사되어 아크챔버의 온도가 높아진다. 아크챔버의 온도가 높아지면 플라즈마에 존재하는 할로겐족 원소나 이온과 금속의 반응이 촉진되어서 식각이 가속된다. 전자 에미터의 온도를 낮출 수 있다면 아크챔버의 작동 온도도 함께 낮출 수 있고, 결과적으로 아크챔버의 식각을 방지하여 수명을 향상시킬 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 일 구현 예를 이용하여 설명한 것으로써, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에서 설명된 구현 예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 구현 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 이온발생부 101: 필라멘트
102: 전자 에미터 103: 리펠러
104: 아크챔버 105: 가스 주입부
106: 이온 방출부 110a, 110b: 마그네트

Claims (5)

1. 반도체를 제조하기 위한 이온주입장치에서 간접가열방식에 의하여 전자를 방출하는 표면을 제공하는 이온주입장치의 전자 에미터에 있어서,
   내열금속으로 이루어지고 내부에 필라멘트를 수용할 수 있는 공간이 형성된 에미터 바디;
   상기 에미터 바디의 내부에 형성된 공간에 노출되고 상기 필라멘트에서 발생된 전자와 충돌하는 전자수용 표면; 및
   상기 전자수용 표면의 반대면으로서 간접가열방식에 의하여 열 전자를 방출하는 전자방출 표면;을 포함하고,
   상기 에미터 바디는 0＜x≤3인 La_xO_4-0.5x의 산화물을 포함하며,
   상기 전자수용 표면 또는 전자방출 표면에는 탄화물이 포함되는 것을 특징으로 하는 플라즈마에 대한 내식각성이 향상된 반도체 제조용 이온주입장치의 전자 에미터.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 내열금속은 텅스텐이고, 상기 에미터 바디는 La_xO_4-0.5x의 산화물을 0.1 내지 8중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마에 대한 내식각성이 향상된 반도체 제조용 이온주입장치의 전자 에미터.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 탄화물은 전자수용 표면 또는 전자방출 표면에서 깊이 방향으로 갈수록 농도가 적어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마에 대한 내식각성이 향상된 반도체 제조용 이온주입장치의 전자 에미터.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 내열금속은 금속입자의 소결체로 이루어지고, 상기 탄화물의 농도는 상기 금속입자의 내부보다 상기 소결체의 그레인 바운더리 영역에서 더 높은 것을 특징으로 하는 플라즈마에 대한 내식각성이 향상된 반도체 제조용 이온주입장치의 전자 에미터.

Images