KR20000006483U - 이온 주입기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 이온 공급부에서 대전된 양이온을 접지 전압이 인가된 추출전극에 의해서 이온빔으로 추출하고, 그 추출된 이온빔으로부터 특정 이온을 분류 및 가속하여 웨이퍼내에 주입하는 이온 주입기에 관한 것으로서, 상기 이온 공급부로부터 상기 추출전극에 추출되는 양이온의 분산범위를 정전장 또는 자장으로 축소시키는 집속 렌즈를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이온 주입기를 제공하므로써, 양이온의 이용 효율을 증진시켜서 이온 주입에 소모되는 공급 가스를 절약할 수 있으며, 또한, 이온 주입기 장비내에 양이온이 불필요하게 증착되어 고장을 유발하는 것을 방지할 수 있다.

Description

이온 주입기

본 고안은 이온 주입기(ion implanter)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이온 공급부(ion source)로부터 제공되는 이온 빔(ion beam)의 이용 효율을 증대하도록 구성한 이온 주입기에 관한 것이다.

주지하다시피, 이온 주입 공정은 고에너지의 이온을 웨이퍼에 충돌시켜 웨이퍼 내에 이온을 주입하는 도핑 공정의 하나로서, 이온 분포 및 주입량의 조절이 용이하고, 저온 공정에서 수행되며, 불순물 공급원이 간편한 등의 여러 장점들을 구비하기 때문에, 근래의 소자 제조 공정에서는 도핑 공정시 열확산 공정을 대체하여 많이 사용되고 있다.

이와 같은 이온 주입 공정은, 도 1에 도시된 이온 주입기에 의해 다음과 같이 수행된다. 먼저, 이온 공급부(100)에서는 가열된 필라멘트(filament)(도시 생략함)로부터 발생된 전자빔을 공급 가스의 중성원자에 쏘아서 양이온으로 대전시키고, 추출 전극(manipulator)(150)에는 양이온에 대해 상대적으로 음(-)인 접지 전압을 인가하므로써, 이온 공급부(100)로부터 이온빔을 형성하고, 그 이온빔을 추출 전극(150)에 형성된 개구를 통해서 이온 분류기(200)에 제공한다.

이온 분류기(200)는 일종의 질량 분석기로서, 양이온 각각의 질량에 의해서 필요로하는 양이온(즉, 웨이퍼에 도핑하고자 하는 양이온)만을 추출하고, 그 추출된 이온빔을 가속관(300)에서 가속한다. 이때, 가속관(300)에서 가속된 양이온은 소정 에너지(예를 들어, 수백 KeV)를 얻는다. 그 소정 에너지를 얻은 이온빔은 집속 렌즈(400)를 통해 집속되고, 중성빔 트랩(500)에서 중성원자가 제거된 후, 주사기(scaner)(600)를 통해 웨이퍼(700) 상에 균일하게 입사된다.

상술한 바와 같이, 종래의 일반 적인 이온 주입기에서는 가속관(300)과 중성빔 트랩(500)사이에 정전장 렌즈나 자장 렌즈로 이루어진 집속 렌즈(400)를 배치하여, 분산적으로 입사되는 이온빔의 범위를 포커싱(focusing)하므로써, 이온 효율을 높이고 있으나, 이온 공급부(100)로부터 이온 분류기(200)에 입사되는 이온빔에 대해서는 기계적으로 추출하고 있기 때문에 많은 문제점을 발생한다.

즉, 종래에는 이온 공급부(100)내에 있는 양이온이, 접지 전압이 인가된 추출 전극(150)에 유도되고, 추출 전극(150)에 형성된 개구를 통과하면서 이온 빔의 형태를 이루는 바, 이온 공급부(100)로부터 양이온을 최대한으로 추출하기 위해서 추출 전극(150)에 형성된 개구를 상하 또는 좌우로 이동시킨다. 이때, 이온 공급부(100)로부터 추출 전극(150)으로 제공되는 양이온은 분산되어 입사되므로, 개구가 형성된 추출 전극의 이동에 의해 양이온의 추출 효율을 높이는 데에는 한계가 있고, 또한, 추출 전극(150)의 개구를 통과하지 못하는 이온빔은 장비내의 내벽에 도포되어 장비의 손상을 유발하는 문제점이 있다.

본 고안은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 고안의 목적은, 이온 공급부로부터 이온 분류기에 공급되는 양이온의 추출 효율을 높일 수 있도록 구성한 이온 주입기를 제공하는 데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 고안에서는, 이온 공급부에서 대전된 양이온을 접지 전압이 인가된 추출전극에 의해서 이온빔으로 추출하고, 그 추출된 이온빔으로부터 특정 이온을 분류 및 가속하여 웨이퍼내에 주입하는 이온 주입기에 관한 것으로서, 상기 이온 공급부로부터 상기 추출전극에 추출되는 양이온의 분산범위를 정전장 또는 자장으로 축소시키는 집속 렌즈를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이온 주입기를 제공한다.

도 1은 일반적인 이온 주입기를 도시한 시스템 구성도,

도 2는 본 고안에 따른 이온 주입기를 도시한 시스템 구성도,

도 3은 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 제 2 집속 렌즈의 예시도,

도 4는 도 3에 도시된 제 1 집속 렌즈의 자계 및 힘의 방향을 도시한 원리도,

도 5는 플레밍의 왼손 법칙에 따른 자계의 방향, 빔의 방향, 및 힘의 방향을 도시한 원리도,

도 6은 도 3 및 도 4에 도시된 집속 렌즈에 의해 변화되는 양이온의 분산 범위를 도시한 예시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 이온 공급부 150 : 추출 전극(manipulator)

200 : 이온 분류기 300 : 가속관

400 : 집속 렌즈 500 : 중성빔 트랩

600 : 주사기 700 : 웨이퍼

800 : 제 2 집속 렌즈 Q1 : 제 1 자석

Q2 : 제 2 자석

이하, 첨부된 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 고안에 따른 이온 주입기에 대해서 상세히 설명한다. 이때, 도 2는 본 고안에 따른 이온 주입기를 도시한 시스템 구성도이고, 도 3은 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 제 2 집속 렌즈의 예시도이며, 도 4는 도 3에 도시된 제 1 집속 렌즈의 자계 및 힘 방향을 도시한 원리도이고, 도 5는 플레밍의 왼손 법칙에 따른 자력, 빔, 및 힘의 방향을 도시한 원리도이며, 도 6은 도 3 및 도 4에 도시된 집속 렌즈에 의해 변화되는 빔의 폭을 도시한 예시도이다. 또한, 본 고안에 대한 이해를 돕기 위하여 동일 구성 부재에는 동일 참조 번호를 부여하며, 본 고안에 따른 집속 렌즈는 기존의 집속 렌즈를 구별하기 위하여 기존의 집속 렌즈는 '제 1 집속 렌즈(400)'라 칭하고, 본 발명에 따른 집속 렌즈는 '제 2 집속 렌즈(800)'라 칭한다.

먼저, 도 2를 참조하면 본 고안에 따른 이온 주입기는 이온 공급부(100)와 추출 전극(150) 사이에 정전장 렌즈 또는 자장 렌즈로 구성되는 제 2 집속 렌즈(800)를 더 구비하며, 이와 같이 부가된 제 2 집속 렌즈(800)는 이온 공급부(100)로부터 추출 전극(150)에 추출되는 양이온의 분산 범위를 추출 전극(150)에 형성된 개구의 폭으로 압축한다.

본 고안의 일실시예에서는 제 2 집속 렌즈(800)를 4극자 렌즈(quadrupole lens)로 구성하며, 이때, 4극자 렌즈는 도 3에 도시된 바와 같이 제 1 자석(Q1)과 제 2 자석(Q2)으로 이루어진다.

도 3을 참조하면, 제 1 자석(Q1)과 제 2 자석(Q2)은 2개의 N극과 2개의 S극을 구비하며, 제 1 자석(Q1) 및 제 2 자석(Q2)을 경유하며 양이온의 분산 범위가 압축될 수 있도록 플레밍의 왼손 법칙에 의거하여 제 1 자석(Q1) 및 제 2 자석(Q2)에 각각 구비된 N극 및 S극은 각각 동일한 극성끼리(즉, N극과 N극끼리, S극과 S극끼리) 서로 대향해서 배치된다. 또한, 제 1 자석(Q1)과 제 2 자석(Q2)이 X축(또는 수평축)과 Y축(또는 수직축)중 어느 한 방향을 분담하여 압축할 수 있도록, 제 2 자석(Q2)은 제 1 자석(Q1)에 비해 90° 회전 배치되어 제 1 자석(Q1)의 N극 위치에 S극이 배치되고, 제 1 자석(Q1)의 S극에 N극이 배치된다.

상술한 바와 같이 제 1 자석(Q1) 및 제 2 자석(Q2)이 배치된 상태에서, 이온 공급부(100)의 양이온에 비해서 상대적으로 음(-)인 접지 전압(ground voltage)을 추출 전극(150)에 인가하면, 양이온은 상대적으로 음(-)의 전압이 인가된 추출전극(150)을 향해서 가속된다. 이때, 이온 공급부(100)와 추출 전극(150) 사이에는 본 고안에 따른 집속 전극(본 실시예에서는 4극 렌즈)(800)이 배치되어 있으므로, 도 3에서 화살표로 도시한 바와 같이 분산된 양이온은 4극 렌즈(800)의 제 1 자석(Q1) 및 제 2 자석(Q2)을 순차적으로 통과하게 된다.

한편, 이온 공급부(100)로부터 추출 전극(150)을 향해서 가속된 양이온들은 도 6a('도면상에 'RS'로 표시, 이하 생략)에 도시된 바와 같이 넓은 범위로 분산되어 있으며, 이와 같이 양이온의 분산된 범위는 제 1 자석(Q1) 및 제 2 자석(Q2)을 순차적으로 통과하면서 도 6c에 도시된 바와 같이 압축되는 바, 그 원리는 도 4 내지 도 6을 참조한 하기의 설명과 같다.

도 4a를 참조하면, 도 3에서 양이온이 제 1 자석(Q1)으로 입사되는 방향을 기준(입사되는 방향이 정면)으로 도시한 평면도로서, 상술한 바와 같이 동일한 자극끼리(磁極, 즉, N극은 N극 끼리, S극은 S극끼리) 서로 대향하여 배치된다. 이때, 한쌍의 S극중에서 하나는 좌상(左上)에 배치되고, 다른 하나는 우하(右下)에 배치되며, 한쌍의 N극중에서 하나는 우상(右上)에 배치되고 다른 하나는 좌하(左下)에 배치되므로, 도 5에 도시된 플레밍의 왼손 법칙에 따라 양이온의 전체 분산범위('도면상에 'RS'로 표시, 이하 생략)에 가해지는 힘은 실선으로 도시된 바와 같다. 즉, 왼손중에서 엄지 손가락을 자속(磁束)의 방향으로 향하게 하고(즉, N극에서 S방향으로 향하게 하고), 검지 손가락을 양이온의 방향(즉, 도 4a는 양이온의 입사 방향을 정면으로 도시한 것이므로 안쪽으로 향하게함)으로 향하게 하면, 실선으로 도시한 각각의 힘의 방향을 얻을 수 있다.

따라서, 제 1 자석(Q1)을 통과하는 양이온의 분산범위는, 도 4a에 실선으로 도시한 힘의 방향에 따라 도 6b에 도시된 바와 같이 상하 방향(또는, Y축, 수직축)으로는 늘어나고(defocusing) 좌우 방향(또는, X축, 수평측)으로는 압축(focusing)된다.

한편, 도 4b를 참조하면, 제 1 자석(Q1)에서와 동일하게(즉, 양이온의 입사 방향을 기준으로) 도시한 평면도로서, 제 1 자석(Q1)과 마찬가지로 동일한 자극끼리(磁極, 즉, N극은 N극 끼리, S극은 S극끼리) 서로 대향하여 배치된다. 이때, 제 2 자석(Q2)은 제 1 자석(Q1)에 대해서 90°회전 배치되므로 제 2 자석(Q2)에 구비된 각 자극(磁極)은 제 1 자석(Q1)과는 반대로 배치된다. 즉, 한쌍의 S극중에서 하나는 우상에 배치되고, 다른 하나는 좌하에 배치되며, 한쌍의 N극중에서 하나는 좌상에 배치되고 다른 하나는 우하에 배치되므로, 양이온의 전체 분산범위에 가해지는 힘은 도 5에 도시된 플레밍의 왼손 법칙에 따라 제 1 자석(Q1)과는 반대로 나타난다. 즉, 왼손중에서 엄지 손가락을 자속(磁束)의 방향으로 향하게 하고(즉, N극에서 S방향으로 향하게 하고), 검지 손가락을 양이온의 방향(즉, 도 4b는 양이온의 입사 방향을 정면으로 도시한 것이므로 안쪽으로 향하게함)으로 향하게 하면, 실선으로 도시한 각각의 힘의 방향은 도 4a와는 반대 방향을 향한다.

따라서, 제 2 자석(Q2)을 통과하는 양이온의 분산범위는, 도 4b에 실선으로 도시한 힘의 방향에 따라 좌우 방향(또는, X축, 수평축)으로는 늘어나고(defocusing) 상하 방향(즉, 수직측)으로는 압축(focusing)된다. 이때, 제 2 자석(Q2)을 통과하는 양이온의 분산 범위는 제 1 자석(Q1)을 통과하면서 상하 방향(또는, Y축, 수직축)으로는 늘어난(defocusing) 양보다 더 많이 압축(focusing)되고, 좌우 방향(즉, 수평측)으로 압축(focusing)된 양보다 덜 늘어난다(defocusing).

즉, 제 1 자석(Q1)을 통과하면서 양이온의 분산 범위는 상하 방향(즉, 수직축)으로 늘어났기 때문에 제 2 자석(Q2) 자석을 통과할 때에는 제 1 자석(Q1)을 통과할 때보다 각 자극(磁極, 즉, N극과 S극)에 더 가까워지므로, 제 2 자석(Q2)을 통과할 때는 제 1 자석(Q1)을 통과할 때보다 더 강한 자계가 작용한다. 따라서, 상하 방향에 대한 양이온의 분산 범위는 제 1 자석(Q2)를 통과할 때 늘어난 범위보다 더 많이 압축된다.

또한, 제 1 자석(Q1)을 통과하면서 양이온의 분산 범위는 좌우 방향(즉, 수직축)으로 압축되었기 때문에 제 2 자석(Q2) 자석을 통과할 때에는 제 1 자석(Q2)을 통과할 때보다 각 자극(磁極, 즉, N극과 S극)에서 더 멀어지므로, 제 2 자석(Q2)을 통과할 때는 제 1 자석(Q1)을 통과할 때보다 더 약한 자계가 작용한다. 따라서, 좌우 방향에 대한 양이온의 분산 범위는 제 1 자석(Q2)를 통과할 때 압축된 늘어난 범위보다 덜 늘어난다.

그 결과, 도 6c에 도시된 바와 같이, 양이온의 분산 범위는 도 6a에 도시된 범위보다 매우 줄어들게 된다.

상술한 과정에서 각 자석의 자장세기를 조절하므로써, 양이온의 분산 범위는 용이하게 조절할 수 있을 것이고, 또한, 상술한 실시예에서는 4극 렌즈를 이용한 자장으로서 양이온의 분산 범위를 압축하는 과정에 대해서 설명하였지만, 통상적인 전장이나 자장을 발생하는 수단으로 대체하는 경우에도 본 고안의 핵심 기술 사상, 즉, "이온 공급기(100)로부터 추출 전극(150)(또는, 이온 분류기(200))에 입사되는 양이온의 분산 범위를 자장 또는 전장으로 압축하여 양이온의 이용 효율을 증대시키고, 양이온이 장비내에 증착되어 발생되는 장비의 고장을 방지한다"는 핵심 기술 사상은 용이하게 달성할 수 있을 것이다.

상술한 본 고안에 따르면, 양이온의 이용 효율을 증진시켜서 이온 주입에 소모되는 공급 가스를 절약할 수 있으며, 또한, 이온 주입기 장비내에 양이온이 불필요하게 증착되어 고장을 유발하는 것을 방지할 수 있다.

Claims (3)

1. 이온 공급부에서 대전된 양이온을 접지 전압이 인가된 추출전극에 의해서 이온빔으로 추출하고, 그 추출된 이온빔으로부터 특정 이온을 분류 및 가속하여 웨이퍼내에 주입하는 이온 주입기에 있어서,

   상기 이온 공급부로부터 상기 추출전극에 추출되는 양이온의 분산범위를 정전장 또는 자장으로 축소시키는 집속 렌즈를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이온 주입기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 집속 렌즈는 각각 한쌍의 자극(磁極)을 구비하는 두 개의 자석으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이온 주입기.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 두 개의 자석 각각에 구비된 자극(磁極)은 서로 반대로 배치되는 것을 특징으로 하는 이온 주입기.