KR101963761B1 - 플라즈마 침적 모드에서 이온주입기를 제어하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플라즈마 전원장치(AP) 및 기판 전원장치(PS)를 갖는 이온주입기를 제어하는 방법에 관한 것으로서, 상기 기판 전원장치는,
ㆍ접지에 연결되는 양극을 갖는 전기 발생기,
ㆍ전기 발생기의 음극에 연결되는 제1 극과 기판 전원장치의 출력 단자에 연결되는 제2 극을 갖는 제1 스위치(SW1),
ㆍ출력 단자와 중립 단자 사이에 연결되는 제2 스위치(SW2)를 포함하고,
상기 방법은 주입 단계(A~D)와 중화 단계(E~H)를 포함한다. 본 방법은, 또한, 상기 주입 단계와 상기 중화 단계에 중첩되는 휴지 단계(C~F)를 포함하는데, 이 휴지 단계 동안에 플라즈마 전원장치는 비활성화된다. 또한, 상기 중화 단계는 상기 제2 스위치를 닫는 예비 절차(E~F)를 포함하는데, 이 예비 절차 후에는 상기 플라즈마 전원장치(AP)가 활성화되는 상쇄 절차(F~G)가 따른다.
ㆍ접지에 연결되는 양극을 갖는 전기 발생기,
ㆍ전기 발생기의 음극에 연결되는 제1 극과 기판 전원장치의 출력 단자에 연결되는 제2 극을 갖는 제1 스위치(SW1),
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상기 방법은 주입 단계(A~D)와 중화 단계(E~H)를 포함한다. 본 방법은, 또한, 상기 주입 단계와 상기 중화 단계에 중첩되는 휴지 단계(C~F)를 포함하는데, 이 휴지 단계 동안에 플라즈마 전원장치는 비활성화된다. 또한, 상기 중화 단계는 상기 제2 스위치를 닫는 예비 절차(E~F)를 포함하는데, 이 예비 절차 후에는 상기 플라즈마 전원장치(AP)가 활성화되는 상쇄 절차(F~G)가 따른다.
Description
본 발명은 플라즈마 침적 모드에서 이온주입기를 제어하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 플라즈마 침적 모드(plasma immersion mode)에서 동작하는 이온주입기 분야에 관련된 것이다. 이에 따르면, 기판에 이온을 주입하는 것은, 기판을 플라즈마에 침적하고 수십 V 내지 수십 kV(일반적으로 100kV 미만)의 음전압으로 바이어스를 걸어서, 플라즈마 이온을 기판 쪽으로 가속시켜서 기판 내부로 플라즈마가 주입(implant)되도록 하는 전기장을 발생시키는 것을 포함한다. 이러한 방식으로 주입되는 원자를 "도펀트(dopant)"라고 부른다.
이온의 침투 깊이는 그 가속 에너지에 의해 결정된다. 이는, 첫째는 기판에 인가되는 전압에 좌우되고, 둘째는 이온들의 각각의 성질 및 기판의 성질에 좌우된다. 주입되는 원자의 농도는, 제곱 센티미터당의 이온 개수로 표현되는 주입량(dose, 도핑량) 및 주입 깊이에 의존한다.
플라즈마의 물리적 성질에 관련된 이유로, 전압이 인가된 이후 수 nS(나노초) 동안에, 이온의 시쓰(sheath)가 기판 주위에 생성된다. 기판 쪽으로 이온을 가속시키는 역할을 하는 전위차가 이러한 시쓰의 경계에 걸쳐서 존재한다.
이러한 시쓰의 시간 함수로서의 증가는 아래와 같은 챠일드-랭뮤어(Child-Languir) 방정식을 따른다.
여기서,
ㆍjc 는 전류 밀도;
ㆍe0 는 진공 유전율;
ㆍe는 이온의 전하;
ㆍM은 이온의 질량;
ㆍV0는 시쓰에 걸쳐서의 전위차;
ㆍs는 시쓰의 두께이다.
전류 밀도는 단위 시간당 시쓰의 경계를 통과하는 전하의 양과 동일하다고 규정하면, ds/dt는 이 경계의 이동 속도를 나타낸다.
이 식에서, s0는
로 주어지며, u0(=2eV0/M)는 이온의 특성 속도이며 n0는 플라즈마의 밀도인 것으로 이해된다.
시쓰의 두께는 주로, 인가된 전압, 플라즈마의 밀도, 그리고 이온의 질량에 관련된다.
주입 전류에 영향을 주는 플라즈마의 등가 임피던스는 시쓰의 두께의 제곱에 직접적으로 비례한다. 따라서 주입 전류는 시쓰가 두꺼워짐에 따라 매우 빠르게 감소한다.
특정 시간이 경과된 후에, 재시작(re-initialization)을 행하는 것이 필요하다. 실제적으로 이는, 시쓰가 인클로저의 벽에 도달한 후에야 본격화되는데, 이로써 주입 메커니즘이 중지된다.
시스템을 재시작하기 위해, 거의 모든 이온주입기 생산업체에서는 플라즈마를 착화(ignite)시켜 놓은 상태에서 기판 상의 고전압을 차단한다. 따라서 고전압 펄스를 발생하는 펄스 발생기를 사용할 필요가 있다.
따라서, 도 1에 참조한 국제특허공보 WO 01/15200에서는 전원장치를 이용하여 기판에 바이어스를 거는 것을 제안하고 있다. 여기서,
ㆍ전기 발생기(GEN)의 양극(+)은 접지에 연결된다;
ㆍ커패시터(Ct)는 전기 발생기(GEN)에 병렬로 연결된다;
ㆍ제1 스위치(IT1)의 제1 극은 전기 발생기(GEN)의 음극에 연결되고, 제2 극은 전원장치의 출력 단자(O)에 연결된다;
ㆍ제2 스위치(IT2)의 제1 극은 출력 단자(O)에 연결되고, 제2 극은 접지에 연결된다.
이 방법은 다음의 단계(stage)를 포함한다.
ㆍ주입 단계로서,
- 플라즈마 전원장치가 활성화되고;
- 제1 스위치(IT1)가 닫히고;
- 제2 스위치(IT2)가 개방되는, 주입 단계.
ㆍ중화 단계로서,
- 제1 스위치(IT1)가 열림고;
- 제2 스위치(IT2)가 닫히는, 중화 단계.
인클로저 내부에의 플라즈마의 지속적인 존재는 바람직하지 않은 부작용을 야기할 수 있다. 즉,
ㆍ분진이 생성된다;
ㆍ열이 기판에 전달된다;
ㆍ인클로저에 충격이 가해져서 처리 중에 금속이 오염되는 위험을 야기한다;
ㆍ전하 효과(charge effect)가 발생하여, 특히 마이크로 전자공학 분야에서 문제를 일으킨다;
ㆍ기판에 인가된 전압을 상승 및 강하시키는 동안에 안정되지 않은 가속 전압에서 이온 주입이 시행된다.
또한, 미국특허공보 US 2007/069157에서는 다음과 같은 연속 동작을 제시한다.
ㆍ기판 전원장치를 활성화시키는 동작;
ㆍ특정 시간 지연 후, 1 펄스지속 시간 동안에 플라즈마 전원장치를 활성화,
ㆍ플라즈마 전원장치를 비활성화시키는 동작;
ㆍ특정 시간 후에, 기판 전원장치를 비활성화시키는 동작.
상기 기간 동안에, 기판 전원장치는 활성화되고 플라즈마 전원장치는 비활성화(휴지 구간에 해당됨)된다.
주입 단계 동안에, 기판의 영역 및 전기적으로 절연된 부분이 양(+)으로 대전되는데, 이 대전 작용은 누적적으로 일어난다. 이러한 상황은, 말할 나위없이, 주입 공정을 방해한다는 결과를 낳는다는 이유만으로도 바람직하지 않다. 따라서 전자를 공급하여서 이러한 양전하를 중화(neutralize)시키는 것이 바람직하다.
따라서 필라멘트를 사용하는 것이 가능하지만, 필라멘트는 증발하는 경향이 있다. 또한 전자총을 사용하는 것도 가능하지만, 이를 위해서는 추가 설비를 구성해야 하는바 이는 상대적으로 부담이 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 양전하를 보다 용이하게 중화시키는 것이다.
이에, 본 발명은 플라즈마 전원장치 및 기판 전원장치를 갖는 이온주입기를 제어하는 방법을 제공한다. 여기서, 상기 기판 전원장치는,
ㆍ접지에 연결되는 양극을 갖는 전기 발생기;
ㆍ상기 전기 발생기의 음극에 연결되는 제1 극과 상기 기판 전원장치의 출력 단자에 연결되는 제2 극을 갖는 제1 스위치;
ㆍ상기 출력 단자에 연결되는 제1 극과 중립 단자에 연결되는 제2 극을 갖는 제2 스위치;를 포함한다.
본 발명의 방법은
ㆍ상기 플라즈마 전원이 활성화되고;
ㆍ상기 제1 스위치가 닫히고;
ㆍ상기 제2 스위치가 개방되는, 주입(implantation) 단계를 포함한다.
본 방법은 또한,
ㆍ상기 제1 스위치가 개방되고;
ㆍ상기 제2 스위치가 닫히는, 중화(neutralization) 단계를 포함한다.
본 방법은, 또한,
ㆍ상기 주입 단계와 상기 중화 단계에 중첩되고, 플라즈마 전원장치가 비활성화되어 있는 휴지(relaxation) 단계를 포함하며;
ㆍ상기 중화 단계는 상기 제2 스위치를 닫는 예비 절차를 포함하되, 이 예비 절차 후에는 상기 플라즈마 전원장치가 활성화되는 상쇄 절차가 따르는 점에 특징이 있다.
따라서 상쇄 절차 중에, 기판의 양전하가 플라즈마의 전자에 의해서 중화된다.
상쇄절차 다음에는 플라즈마 전원장치가 비활성화되는 비활성 절차가 따르는 것이 유리하다.
비활성 절차 다음에는 제2 스위치가 개방되는 중단 절차가 따르는 것이 바람직하다.
또한, 기판에 인가되는 전압이 플라즈마가 착화된 상태에서 변동할 경우에는, 주입 파라미터가 이에 상응하여 변동된다. 이는 특히, 가속 전압에 직접적으로 의존하는 도펀트 침투 깊이에 적용된다.
따라서, 본 발명의 제2 목적은 주입 파라미터를 안정화시키는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 주입 단계는 제1 스위치가 닫히는 초기화 절차를 포함하는데, 이 초기화 절차 다음에는 안정화 시간이 지난 후에 플라즈마 전원장치가 활성화되는 활성화 절차가 따른다.
즉, 기판이송부에 인가되는 전압이 안정된 후에 플라즈마가 착화되는 것이다.
바람직한 실시예에서, 상기 활성화 절차 다음에는 상기 플라즈마 전원장치가 비활성화되는 소화 절차가 따른다.
또한, 상기 소화 절차 다음에는 상기 제1 스위치가 개방되는 일시정지 절차가 따른다.
결과적으로, 기판이송부에 인가되는 전압은 플라즈마가 전력공급을 받는 기간 내내 일정하게 유지된다.
본 발명은 또한, 상술한 방법을 실행하는 수단들을 포함하는 이온주입기를 제공한다.
이하에서 본 발명은 아래의 설명 및 도면 참조에 의한 실시예의 설명에 의해서 보다 상세해진다. 첨부 도면은 다음과 같다.
도 1은 종래의 고전압 전원장치를 도시한다.
도 2는 제어 모듈을 구비한 이온주입기를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 고전압 전원장치를 도시한다.
도 4는 본 발명의 방법을 도시하는 타이밍도이다.
도면에 도시된 것들 중 하나 이상의 구성요소엔 각 도면마다 동일한 부호를 부여하였다.
도 1은 종래의 고전압 전원장치를 도시한다.
도 2는 제어 모듈을 구비한 이온주입기를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 고전압 전원장치를 도시한다.
도 4는 본 발명의 방법을 도시하는 타이밍도이다.
도면에 도시된 것들 중 하나 이상의 구성요소엔 각 도면마다 동일한 부호를 부여하였다.
도 2를 참조하면, 이온주입기는 진공 인클로저(enclosure)(ENV)의 내부와 외부에 배치된 다수의 구성요소들을 포함한다. 마이크로 전자공학 분야에서, 철, 크롬, 니켈, 또는 코발트와 같은 금속 원소에 의한 오염을 줄이길 원하는 경우에는, 인클로저를 알루미나 합금으로 만들 것을 권장한다. 또는 실리콘 또는 실리콘 탄화물을 코팅하는 것도 가능하다.
기판이송 평판(substrate carrier platen)(PPS)은 수직축(AXT)을 중심으로 회전가능한 수평의 원반 형태이며 이온주입을 실시할 기판(SUB)을 수용한다.
인클로저(ENV)의 상부에는, 원통형으로서 수직축(AXP)을 중심에 두고 있는 소스체(source body)(CS)가 수용된다. 이 소스체는 석영으로 제작된다. 소스체(CS)의 외부에는, 첫째로 구속 코일(confinement coil)(BOCi, BOCj)이 둘러싸고 있으며, 둘째로 외부 무선주파수(RF) 안테나(ANT)가 둘러싸고 있다. 플라즈마 발생 가스의 인입구(inlet)(ING)는 소스체(CS)의 수직축(AXP)과 동축으로 설치된다. 이 수직축(AXP)은, 이온주입을 위한 기판(SUB)이 위치하고 있는 기판이송 평판(PPS)의 표면과 만난다.
어떠한 종류의 펄스형 플라즈마 소스(예컨대, 유도 결합 플라즈마(ICP: inductively coupled plasma), 헬리콘(helicon), 마이크로웨이브, 아크(arc) 등)라도 사용할 수 있다. 이들 소스는, 높은 전압의 평판(PPS)와 접지 전위에 있는 인클로저(ENV) 사이에 발생된 전기장이 소스의 펄스형 동작을 방해할 지도 모를 방전 플라즈마를 착화(ignite)시키지 않도록 하기 위한 충분히 낮은 압력 수준에서, 동작해야 한다.
이온주입기의 제어 모듈은 필수적으로 아래와 같은 세 가지 요소를 포함한다. 즉,
ㆍ기판(SUB)에 고전압을 공급하기 위한 기판 전원장치(PS),
ㆍ무선주파수 안테나(ANT)와 구속 코일(BOCi, BOCj)에 전력을 공급하는 플라즈마 전원장치(AP), 및
ㆍ상기 두 전원장치를 제어하는 제어 회로(CC).
도 3을 참조하면, 상기 기판 전원장치(PS)는
ㆍ접지에 연결되는 양극을 갖는 고전압 전기 발생기(HT),
ㆍ전기 발생기(HT)의 음극에 연결되는 제1 극과 전원장치의 출력 단자(S)에 연결되는 제2 극을 갖는 제1 스위치(SW1),
ㆍ출력 단자(S)에 연결되는 제1 극과 중립 단자(N)에 직접적으로 연결되거나 또는 방전 저항(discharge resistor)(Rd)(일반적으로 저항값은 1kΩ)을 통해서 연결되는 제2 극을 갖는 제2 스위치(SW2)를 포함한다.
기판 전원장치(PS)는 바람직하게는, 전기 발생기(HT)에 병렬로 연결되는 정류용 커패시터(regulation capacitor)(Cr)도 추가로 포함한다.
출력 단자(S)는 이온주입기의 기판이송 평판(PPS)에 연결된다.
중립 단자는 접지에 연결될 수 있으며, 또한, 이와 동등하게, 전압원의 양극에도 연결될 수 있다(이 전압원의 음극은 접지에 연결됨). 이 양전압은 일반적으로는 0 내지 100V의 범위에 있는데, 플라즈마 전위와 실질적으로 동일한 값(통상, +10 V 내지 +20 V의 범위)으로 선택하는 것이 유리하다.
도 4를 참조하면, 제어 회로(CC)는 아래와 같이 플라즈마 전원장치(AP)와, 기판 전원장치(PS)의 두 스위치(SW1, SW2)를 제어한다.
초기 상태에서, 이들 세 구성요소는 다음과 같이 설정되어 있다.
ㆍ플라즈마 전원장치(AP), 비활성;
ㆍ제1 스위치(SW1), 개방; 및
ㆍ제2 스위치(SW2), 개방.
사이클이 시작되면, 도 4의 A 시점인 초기화(initialization) 절차(step)에서 이온주입이 시작된다.
이 초기화 절차는 제1 스위치(SW1)를 닫음으로써 시작된다. 이 절차는 안정화(stabilization) 기간동안 지속되는데, 이 안정화 기간은 일반적으로 1 마이크로초(㎲) 내지 5㎲의 범위에 있다.
초기화 절차 후에, 플라즈마 전원장치(AP)가 활성화되는 활성화(activation) 절차(도 4의 B 시점)가 따른다. 이 활성화 절차의 기간은 일반적으로 5㎲ 내지 100㎲이다.
그 다음에, 플라즈마 전원장치(AP)가 비활성화되기 시작하는 소화(extinction) 절차(도 4의 C 시점)가 따른다. 이 플라즈마 소화 절차는 일반적으로 20㎲ 내지 200㎲ 동안 지속된다. 이 절차에서 주입 절차가 종료된다.
제1 스위치(SW1)가 개방됨으로써 일시정지(pause) 절차(도 4의 D 시점)가 시작되고 중화(neutralization) 단계(stage)가 시작되면서 일시정지 절차는 종료된다. 이 절차는 상대적으로 짧을 수 있지만, 제1 스위치(SW1)가 완전히 개방되지 않은 기간 동안은 그리고 플라즈마가 완전히 소화되지 않은 한은 지속되어야 한다. 따라서 그 지속 기간은 0.1㎲ 보다 길며, 일반적으로는 1㎲ 내지 10㎲이다.
중화 단계는 제2 스위치(SW2)가 닫히기 시작할 때의 예비(preliminary) 절차(도 4의 E 시점)에서 시작된다. 이 예비 절차는 기판이송 평판의 전압이 중립 단자(N)에 인가된 전압으로 되돌아가지 않는 동안은 지속된다. 그 기간은 일반적으로 1㎲ 내지 40㎲이다.
다음에 플라즈마 전원장치(AP)가 활성화되는 상쇄(cancellation) 절차(도 4의 F 시점)가 따른다. 플라즈마 전자들은, 기판의 양으로 대전된 영역 쪽으로 끌려가서 해당 전하를 중화시킨다. 이 상쇄 절차의 기간은 1㎲ 내지 80㎲이다.
그 다음에 플라즈마 전원장치가 비활성화되는 비활성(inactivation) 절차(도 4의 G 시점)가 따른다. 이 절차의 지속 기간은 통상적으로 수십 ㎲이다.
이 사이클은 중단(interruption) 절차(도 4의 H 시점)에서 종료되며, 이 때에 제2 스위치(SW2)가 개방된다. 이 중단 절차는, 제2 스위치가 완전히 개방되지 않는 동안 그리고 플라즈마가 완전히 소화되지 않는 한 지속된 다음에, 초기 절차로 되돌아간다.
그리고 다시 새로운 사이클이 개시될 수 있다.
플라즈마 전원장치(AP)가 비활성화되어 있는 휴지(relaxation) 단계(도 4의 C 시점과 F 시점 사이)가, 주입 단계와 중화 단계에 중첩되어 있음을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 구현형태는 그 구체적 특성에 의해 선택된 것이다. 그럼에도 불구하고, 본 발명이 포함될 모든 구현형태를 완전하게 열거할 수는 없다. 특히, 설명한 절차 또는 수단 중 어느 것이라도, 본 발명의 범위를 넘지 않는 범위에서 등가의 절차 또는 등가의 수단으로 대체할 수 있다.
Claims (7)
- 플라즈마 전원장치(AP) 및 기판 전원장치(PS)를 갖는 이온주입기를 제어하는 방법에 있어서,
상기 기판 전원장치는:
ㆍ접지되어 있는 양극을 갖는 전기 발생기(HT);
ㆍ상기 전기 발생기(HT)의 음극에 연결되는 제1 극과 상기 기판 전원장치의 출력 단자(S)에 연결되는 제2 극을 갖는 제1 스위치(SW1); 및
ㆍ상기 출력 단자(S)에 연결되는 제1 극과 중립 단자(N)에 연결되는 제2 극을 갖는 제2 스위치(SW2);를 포함하고,
상기 방법은 주입 단계(A~D)를 포함하고,
상기 주입 단계 중에,
ㆍ상기 플라즈마 전원장치가 활성화되고,
ㆍ상기 제1 스위치(SW1)가 닫히고,
ㆍ상기 제2 스위치(SW2)가 개방되며,
상기 방법은 중화 단계(E~H)를 더 포함하고,
상기 중화 단계 중에,
ㆍ상기 제1 스위치(SW1)가 개방되고,
ㆍ상기 제2 스위치(SW2)가 닫히며,
상기 방법은,
ㆍ상기 주입 단계와 상기 중화 단계에 중첩되고, 상기 플라즈마 전원장치(AP)가 비활성화되어 있는, 휴지 단계(C~F)를 더 포함하고,
ㆍ상기 중화 단계는 상기 제2 스위치(SW2)를 닫는 예비 절차(E~F)를 포함하며, 상기 예비 절차 후에는 상기 플라즈마 전원장치(AP)가 활성화되는 상쇄 절차(F~G)가 따르는 것을 특징으로 하는 이온주입기 제어 방법. - 제1항에 있어서,
상기 상쇄 절차(F~G) 다음에, 상기 플라즈마 전원장치(AP)가 비활성화되는 비활성 절차(G~H)가 따르는 것을 특징으로 하는 이온주입기 제어 방법. - 제2항에 있어서,
상기 비활성 절차(G~H) 다음에 상기 제2 스위치(SW2)가 개방되는 중단 절차가 따르는 것을 특징으로 하는 이온주입기 제어 방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주입 단계는 상기 제1 스위치가 닫히는 초기화 절차(A~B)를 포함하고, 상기 초기화 절차 다음에는 안정화 시간이 지난 후에, 플라즈마 전원장치가 활성화되는 활성화 절차(B~C)가 따르는 것을 특징으로 하는 이온주입기 제어 방법. - 제4항에 있어서,
상기 활성화 절차(B~C) 다음에는 상기 플라즈마 전원장치(AP)가 비활성화되는 소화 절차(C~D)가 따르는 것을 특징으로 하는 이온주입기 제어 방법. - 제5항에 있어서,
상기 소화 절차(C~D) 다음에는 상기 제1 스위치(SW1)가 개방되는 일시정지 절차(D~E)가 따르는 것을 특징으로 하는 이온주입기 제어 방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 이온주입기 제어 방법을 실행하는 수단을 포함하는 것을 특징으로하는 이온주입기.
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