KR20000048289A - 전하 수집, 광방출 분광분석 및 질량분석을 이용한이온주입 제어 - Google Patents

전하 수집, 광방출 분광분석 및 질량분석을 이용한이온주입 제어 Download PDF

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Abstract

소재 표면에 이온을 주입하는 장치와 방법을 제공한다.
이온(42)의 농도를 조성하고, 이 이온의 농도를 광학적인 방법으로 분석하여 기록한다. 상기 분광분석 데이터(320)와, 주어진 이온농도에 대한 분광분석 데이터가 그 다음의 데이터 활용을 위해 저장된 저장매체의 기록 데이터 베이스(185)를 비교하여 이온농도의 성분을 결정한다. 이온농도의 이온을 소재 표면에 충돌시킨다. 소재(14)속으로 주입된 이온의 선량을 측정하고, 적당한 선량에 도달하면 소재에 대한 이온주입을 중지한다.

Description

전하 수집, 광방출 분광분석 및 질량분석을 이용한 이온주입 제어{ION IMPLANTATION CONTROL USING CHARGE COLLECTION, OPTICAL EMISSION SPECTROSCOPY AND MASS ANALYSIS}
본 발명은 하전된 이온을 사용하여 소재를 처리하는 소재처리 시스템에 관한 것이다. 이러한 한가지의 시스템은 하나 이상의 실리콘 웨이퍼를 고밀도의(+)로 하전된 이온을 가진 이온 플라즈마중에 침지하고, 웨이퍼 표면에 대해 이들 이온을 가속시킴으로써 제어된 농도의 이온들을 웨이퍼속으로 주입하고 있다. 이러한 두번째 시스템은 이온 소오스(ion source) 및 이 소오스로부터 표적 소재가 위치하는 주입부까지 이온들을 이동시키는 구조물을 포함하고 있다.
시판되고 있는 이온주입 시스템은 하나 이상의 소재를 소오스로부터의 이온에 의해 처리하는 이온주입 체임버로부터 떨어져 있는 소오스 체임버를 가지고 있다. 소오스 체임버의 출구로부터는 이온들을 소오스로부터 유출시켜 형성하고 분석하여 가속함으로써 이온 빔(ion beam)을 생성시킨다. 이 이온 빔을 진공상태의 빔 통로를 따라 이동시켜 이온주입 체임버에 보내어, 여기서 전형적으로 원형의 웨이퍼 등의 소재 하나 이상에다 이온 빔을 충돌시킨다. 이온 빔의 에너지가 충분해야만 이온들을 웨이퍼에 충돌시켜 주입 체임버속의 이들 웨이퍼속으로 침투시킬 수 있다. 이러한 시스템의 대표적인 적용에 있어서 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼이고 이온을 사용하여 웨이퍼를 "도핑"함으로써 반도체 재료를 제조한다. 매스크와 패시베이션층(passivation layer)을 사용하는 선택적인 주입에 의하여 집적회로를 구성할 수 있다. 미합중국 특허 제 4,764,394호(발명의 명칭: 플라즈마 소오스 이온주입 방법 및 장치")에는 이온충격에 의하여 표적을 처리하는 이온주입 시스템이 개시되어 있다. 3차원 표적의 표면속으로의 이온주입은 폐쇄된 체임버내에서 표적주위에 이온화 플라즈마를 형성함으로써 실현된다. 표적을 둘러싼 주위영역에서 플라즈마가 일단 형성되면 표적을 조작할 필요없이 플라즈마로부터의 이온을 사방으로부터 표적속으로 이동시킨다. 이러한 주입방식은 고압의 반복성 펄스를 인가함으로써 실시되는데, 대표적으로 20 킬로볼트 이상의 고압을 인가하면 노출된 표적표면속으로 이온을 침투시킬 수 있다. 상기한 미합중국 특허 제 4,764,394호에 기재된 플라즈마 형성 기술은 표적영역속으로 중성가스를 도입하여 이온화 방사선으로 가스를 이온화시키는 것이다.
상기한 미합중국 특허 제 4,764,394호에 개시된 시스템은 이온 소오스를 사용하여 소재 주위의 영역에서 이온 플라즈마를 생성시킨 다음, 소재를 지지하고 있는 전극에 선택적으로 펄스를 가함으로써 플라즈마속의 양이온을 소재쪽으로 끌어당기고 있다.
또한 미합중국 특허 제 5,654,043호는 이온을 소재표면에 충돌시켜 소재표면을 처리하는 시스템에 관한 것이기도 하다. 즉, 가스를 주입 체임버속으로 주입하여 이온화성의 가스가 소재표면에 바로 인접한 영역을 차지하도록 한다. 펄스 시퀸스를 가진 도전성 전극을 반복적으로 상대적으로 바이어스시킴으로써 주입 체임버의 내부에 주입원료의 플라즈마를 발생시켜 체임버속으로 주입된 가스 분자를 양전극에 의해 이온화한 다음, 이온화된 가스 분자를 하나 이상의 소재의 주입표면쪽으로 가속시킨다. 상기한 미합중국 특허 제 5,654,043호의 개시내용을 본 발명에서 원용하고 있다.
미합중국 특허 제 5,658,423호는 엣칭공정을 실시하면서 체임버내의 플라즈마의 상태를 모니터링하는 방법에 관한 것이다. 엣칭 도중에 스펙트럼 분석 데이터를 수집하는데, 이 스펙트럼 데이터는 플라즈마속에 함유된 엣칭 종(species)으로부터의 광방출을 특성화한 것이다.
문헌 [Douglas M. Jamba, "Dosimetry Measurement in Ion Implanters", copyright 1981]에는 이온 빔 주입도중의 표적에 가해지는 전하(charge)를 수집하는 선량 측정 컵(dosimetry cup)의 용도에 대하여 개시되어 있다. 표적에 실제로 가해지는 전하를 보다 정확히 측정하기 위하여 컵의 입구와 빔을 형성하는 개구 사이에 위치한 바이어스 전극을 사용하여 컵에서 이탈하고자 하는 음이온과 전자를 억제한다. 또한 바이어스 전극은 컵속으로 유입하고자 하는, 개구쪽에서 발생한 전자를 억제하기도 하며, 이온 빔에 의해 이동되는 전자를 배척하기도 한다.
문헌 [C. M. McKenna, "High Current Dosimetry Techniques" copyright 1979]에는 이온 빔 주입 동안에 표적에 충격을 주는 전하의 즉시 측정을 위하여 표적에 인접하여 위치한 하나 이상의 선량측정 컵의 사용에 관하여 개시되어 있다. 이러한 선량측정 컵을 사용하여 측정을 함으로써 주입에 사용되는 이온 빔을 제어할 수가 있다. 더욱이 McKenna는 음으로 바이어스된 정도가 훨씬 적은 컵벽과 관련하여 음으로 바이어스된 컵 수집기(collector)를 사용하여 불필요한 전자가 컵속으로 유입하지 못하도록 하는 것을 개시하고 있다. 그러나 McKenna는 음으로 바이어스된 컵 수집기의 사용을 배제하였는데, 그 이유는 실험 결과로부터 이러한 타입의 전기적인 바이어스는 선량측정 컵속에서 자장선에 포착된 2차 전자에 의하여 방전이 악화되므로 인하여 실리콘 표적에서 폭발을 일으키기 때문이었다.
본 발명은 플라즈마 가스중에 존재하는 이온과 소재에 충돌하는 전하의 농도에 대한 광학분석(optical analysis) 결과를 이용하여 주입과정의 파라메터를 제어하는 이온주입 제어 시스템에 관한 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의하여 구성된 이온주입 시스템의 개략적인 단면도 및 투시도.
도 1a는 웨이퍼 지지대의 입면도.
도 1b는 도 1a에 나온 웨이퍼 지지대의 평면도.
도 3은 도 1에 나온 이온주입 시스템에 사용되는 선량 측정 컵의 단면도.
도 4는 도 1 및 도 2에 나온 시스템 등의 이온주입 시스템의 보정과정을 나타낸 플로우 차아트.
도 5는 도 1 및 도 2에 나온 시스템 등의 이온주입 시스템의 제어과정을 나타낸 플로우 차아트.
도 6은 저에너지 이온 주입기의 개략도.
도 7은 이온 소오스 플라즈마에 존재하는 상이한 이온 및 분자의 파장의 함수로서의 광방출 스펙트럼 강도를 나타낸 그래프.
도 8은 플라즈마 소오스로부터 방출된 이온의 강도의 함수로서의 원자질량의 피이크를 나타낸 그래프.
[관련 출원에 대한 크로스 레퍼런스]
본 발명은 "광방출 분광분석을 이용한 이온주입 제어"를 발명의 명칭으로 하는 1998년 5월 13일 출원의 미합중국 특허출원 번호 제 09/078,129호의 일부 계속출원이다.
예컨대 본 발명을 이용하여, 일단 소요의 레벨의 도핑이 완료되면 이온화 과정을 중지시킬 수도 있고, 또한 본 발명을 이온 빔 주입 또는 플라즈마 침지 이온주입에 사용할 수도 있다.
보다 상세하게는 본 발명은 주입표면에다 이온으로 충격을 가하도록 하는 이온주입 시스템에 사용할 수도 있다. 이러한 이온주입 시스템은 일반적으로 하나 이상의 소재를 삽입하여 이온처리를 하는 체임버 내부를 형성하는 프로세스 체임버와 이온 플라즈마를 형성하는 에너지원을 포함한다. 소재 지지대를 프로세스 체임버내에 위치하도록 하여 주입을 위한 소재 하나 이상을 재치하도록 한다.
본 발명의 한가지 실시예를 사용하여 이온주입 과정을 보정하는데, 여기에는 이온 소오스 체임버내에서의 이온의 농도를 조성하여 이 이온농도의 질량분석을 하고, 질량분석 데이터를 기록하는 단계를 포함한다. 또한, 이온주입 과정에는 이온 소오스 체임버내에서의 이온농도의 광학분석을 하고 광학분석 데이터를 기록하는 단계를 포함한다. 수득한 이 데이터에 근거한 여러 가지 기록의 데이터 베이스를 이온 소오스 체임버내에서의 주어진 이온농도에 대해 저장매체에 저장한다.
가장 대표적으로는 이온화성 가스를 소오스 체임버속으로 주입하여 소오스 체임버내에서 이온 플라즈마를 발생시킨다. 이 실시형태에서는 질량분석 단계와 광학분석 단계를 이온화성 가스의 각기 상이한 농도에 대해 실시한다. 본 발명에서의 한가지 적용은 이온 플라즈마의 각 구성성분의 질량분석은 불가능하지만 분광분석을 할 수 있는 시스템에 사용하는 것이다. 이러한 시스템에 있어서, 이온 플라즈마에 대한 분광분석 데이터를 수집한 다음, 이들 데이터를 사용하여 데이터 베이스에 저장된 데이터와의 상관관계에 따라 시스템의 동작 파라메터를 조절한다.
질량분석 데이터에 대한 상관관계에 의존하지 않고서도 광학분석 데이터를 다소 상이하게 적용할 수 있다. 각기 상이한 시간간격에서 얻은 분광분석 데이터를 비교함으로써 이온 플라즈마 체임버의 각 구성성분을 모니터링한다.
소재의 주입표면 주위에 하나 이상의 선량측정 컵을 배치한다. 선량측정 컵은 전기적으로 바이어스되며 여기에는 주입표면과 평행한 하전 이온 수집표면을 포함하고 있다. 이온 플라즈마를 모니터링하는 광학 센서는, 광학 센서로부터 얻은 분광분석 결과와 이온 플라즈마의 파라메터를 가진 하나 이상의 선량측정 컵으로부터 수집한 선량측정 데이터를 서로 관련시키는 데이터 저장에 광학 데이터를 제공한다. 연산수단을 사용하여 저장된 광 데이터 및 선량측정 데이터를 조합하여 이온주입 과정에서의 파라메터를 제어한다.
광학 센서와 선량측정 데이터를 조합함으로써 이온주입 파라메터를 제어하게 되는 정확도를 향상시킨다. 예컨대 선량측정 컵은 처리되는 소재에 존재하는 도핑 레벨에 대한 실시간(real time) 정보를 제공한다. 따라서 주입 파라메터들을 사전에 설정하든 과거의 경험에 의존하는 대신에 주입과정의 파라메터들을 소재의 현재의 조건에 따라 제어할 수 있다. 예컨대 처리되는 웨이퍼에 존재하는 이온 선량(ion dose)에 따라 변조기에서 발생된 전압을 조정하거나 주입을 정지할 수도 있다.
본 발명의 여러 가지 목적과 효과 및 특징에 대해 첨부된 도면에 따라 보다 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는 일반적으로 평면상의 소재(14)를 삽입하여 이들 소재를 이온처리하는 일반적으로 실린더 형상의 플라즈마 체임버(12)를 포함한 이온주입 시스템(10)을 나타낸 것이다. 주입 시스템(10)에는 소재를 플라즈마 체임버(12)속으로 삽입하기 위한 로드 록(loadlock)(20)을 포함하고 있다. 소재를 개폐되는 밸브(21)를 통해 체임버(12)속으로 이동시키거나 이로부터 배출시킬 때, 이 로드 록(20)에 의하여 플라즈마 체임버(12)를 감압상태(대기압에 대하여)로 유지하게 된다. 진공 펌프(22)는, 체임버(12)와 펌프(22) 사이에 위치한 밸브(23)에 의하여 체임버 내부를 감압상태로 조절하고 유지한다.
도 1에 나온 플라즈마 체임버(12)는 소재(14)가 삽입되는 체임버 내부(24)를 형성하는 내벽을 가지고 있다. 이들 소재(14)를 일반적으로 평면상인 지지대(30) 위에 재치하거나 이 지지대로부터 꺼낸다. 지지대(30)에는 지지대상인 소재의 크기에 따라 적당한 크기를 가진다.
에너지원(energy source)(40)은 일반적으로 실린더 형상의 프로세스 체임버(12)의 한쪽끝에 위치한다. 이 에너지원(40)으로부터 에너지를 체임버(12) 속으로 주입하여 에너지원(40)과 웨이퍼 지지대(30) 사이의 영역(42)의 플라즈마 체임버(12) 속에서 이온 플라즈마를 발생시킨다. 적당한 에너지원(40)의 한가지 예로서는 13.5 메가헤르츠에서 동작하는 고주파 코일(Rf coil)을 들 수 있는데, 이것은 고주파 에너지를, 플라즈마 체임버(12)의 한쪽끝에 구성된 석영판(43)을 통하여 전달한다. 기타의 코일 작동식 주파수도 사용가능한데, 예컨대 약 2.0 메가헤르츠의 주파수를 가진 것을 사용할 수 있다. 체임버(12)속으로 들어가는 Rf 에너지는 외부 가스 공급원(44)으로부터 플라즈마 체임버(12)속으로 펌프에 의하여 공급되는 기체분자로부터 이온 플라즈마를 생성시킨다. 체임버(12)내에서 유지되는 대표적인 가스압은 0.2 내지 5.0 밀리토르(millitorr)이다. 한가지 예로서 질소 가스를 체임버속으로 도입하여, Rf 코일로부터 체임버속으로 유입되는 Rf 에너지에 의해 질소 가스를 이온화할 수 있다. 이 에너지를 이용함으로써 가스 분자를 이온화한다. 플라즈마 체임버속에서 이온 플라즈마를 발생시키는 기타 공지의 기술을 이용하여 본 발명을 실시할 수 있다.
지지대(30)와 석영판(43) 사이의 영역(42)에서 이온 플라즈마가 일단 형성되면 이온을 가속하여 소재(14)와 접촉시킨다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서 소재는 일반적으로 형상이 원형인 실리콘 웨이퍼인데, 이것을 지지대(30) 위에 재치한다. 소재 지지대(30)를 전기 전도성 재료로 구성한다. 이온은 양(+)으로 하전되므로 플라즈마 영역에서 적당한 크기와 방향으로 전장을 가하면 플라즈마중의 이온이 실리콘 웨이퍼 표면쪽으로 가속되어 실리콘 웨이퍼의 표면에 충돌하게 된다. 도 1에 나온 바와 같이 변조기(50)로부터는 전압 펄스(52)를 가함으로써 전도성 지지대(30)를 체임버(12)의 전도성 내벽에 대하여 바이어스시켜 영역(42)내에 적당한 전장을 형성시킨다.
일단 웨이퍼(14)가 처리되고 나면 이들을 플라즈마 체임버(12)로부터 꺼내어 기타의 가공부로 보내어 처리된 웨이퍼를 추가로 가공하여 집적회로를 구성한다. 이러한 이온 처리를 8 인치 직경의 실리콘 웨이퍼에 대해 균일성이 양호하게 실시할 수 있었다. 또한 도 1에 나온 것과 유사한 구조를 가진 이온 주입법을 사용하여 표면적이 큰 것을 처리함으로써 평탄한 패널 디스플레이를 제조하기도 하였다.
도 6은 소오스로부터 이온을 추출하여 처리부에서 소재에다 충격시키는 비교적 저에너지, 고전류의 이온 주입기(210)를 나타낸 것이다. 이온 주입기(210)에는 이온 소오스(212), 질량분석용 자석(214), 빔 라인 발생기(beamline assembly) 및 표적 또는 최종 처리부(216)를 포함한다. 이온 소오스(212) 및 질량분석용 자석(214)은 이들의 각각의 전원과 더불어 주입기 하우징(217)속에서 지지되어 있다. 이온 주입기(210)는 0.2∼90 kev의 범위의 주입 에너지로써 동작하고 약 10 밀리암페어의 빔 전류를 인가하는 저에너지 주입기이다. 빔 라인 발생기(215)는 이온 소오스(212)로부터 최종 처리부(216)까지 빔을 전파하는 동안 로우 빔(low beam)을 확장(즉, 확대)시키는 경향이 있기 때문에 그 길이가 비교적 짧다.
이온 소오스(212)는 플라즈마 체임버(220)를 구성하는 하우징(218)과 이온 추출기(222)로 구성되어 있다. 빔 라인 발생기(215)는 리졸버 하우징(resolver housing)(223)과 빔 중화기(224)를 가지고 있다. 빔 중화기(224)는 빔 확대를 지연시키는 기능을 한다. 빔 중화기(224)의 하류쪽에는 최종 처리부(216)가 있는데, 여기에는 처리된 웨이퍼가 설치되는 디스크 형상의 웨이퍼 지지대(225)를 가지고 있다. 웨이퍼 지지대(225)는 주입 빔의 방향쪽으로(일반적으로) 수직으로 향해 있는 표적면내에 존재한다.
이온 소오스(212)는 L자 형상의 프레임(226)에 설치된다. 압축가스 형태로 직접 얻거나 고체를 기화시켜 간접적으로 얻게 되는 이온화성 도판트(dopant) 가스를 플라즈마 체임버(220)속으로 주입한다. 대표적인 이온 소오스 원소로서는 붕소(B), 인(P), 갈륨(Ga), 인듐(In), 안티몬(Sb) 및 비소(As)를 들 수 있다. 이들 이온 소오스 원소들중의 대부분은, 전형적으로 가스상태의 3플루오르화 붕소 또는 디보란(diborane) 형태로 제공되는 붕소를 제외하고는 고체 형태로 제공된다.
에너지를 이온화성 도판트 가스에 가하여 플라즈마 체임버(220)내에서 이온을 발생시킨다. 본 발명을 소오스에 의해 음이온을 발생시키는 시스템에 적용할 수 있겠으나, 일반적으로 양이온들이 생성된다. 복수의 전극(227)을 포함하는 이온 추출기(222)에 의해 플라즈마 체임버(220)내의 슬릿(slit)을 통하여 양이온들을 추출한다. 각 전극은 음전위 전압을 가지고 있다. 따라서 이온 추출기는 플라즈마 체임버로부터 양이온의 빔(228)을 추출하여, 추출된 이온을 프레임(226)에 의해 지지되어 있는 질량분석용 자석(214)속으로 가속시키는 기능을 한다.
질량분석용 자석(214)은 적당한 질량 대(對) 전하의 비(mass-to-charge ratio)를 가진 이온들만을 통과시켜 리졸버 하우징(223)으로 보낸다. 이온 소오스(212)는 적당한 질량 대 전하의 비를 가진 이온을 발생시키는 외에도 필요로 하는 것보다 훨씬 크거나 훨씬 적은 질량 대 전하 비를 가진 이온도 발생시키기 때문에 질량분석용 자석(214)을 필요로 한다.
질량분석용 자석(214)는 진공펌프(231)에 의하여 진공이 생성되는 알루미늄 빔 가이드(230)에 의해 형성되는 만곡된 빔 통로(229)에 접해 있다. 이 통로를 따라 전파되는 이온 빔(228)은 질량분석용 자석(214)에 의하여 발생된 자장의 영향을 받는다. 이 자장의 강도와 방향은, 자석 커넥터(233)를 통하여 자석(214)의 계자 권선(field windings)의 전류를 조정하는 제어 전자(232)에 의하여 제어된다. 자석(214)에 의한 이온 빔의 부분 집속은, 자장에서의 기울기를 확립 [즉, 인덱싱(indexing)]하거나 자석(214)의 입구극 혹은 출구극을 회전시키는 것만으로도 분산면 [만곡된 빔 통로(229)의 면]내에서 달성된다.
자장에 의하여 이온 빔(228)은, 이온 소오스(212)에 인접한 제 1 궤적 또는 입구 궤적(234)으로부터 리졸빙 하우스(resolving house)(223)에 인접한 제 2 궤적 또는 출구 궤적(235)까지 만곡된 빔 통로(229)를 따라 이동하게 된다. 부적당한 질량 대 전하의 비를 가진 이온으로 구성된 빔(228)의 일부(228', 228")는 만곡된 궤적을 휘어져 벗어나서 알루미늄 빔 가이드(230)의 벽속으로 들어간다. 이와 같이 하여 자석(214)은 리졸빙 하우스(223)에다 소요의 질량 대 하전 비를 가진 빔(228)의 이온들만을 통과시킨다.
이온 빔(228)의 입구 궤적 및 출구 궤적(234, 235)은 만곡된 빔 통로(229)의 면내에 있으며 분산면내에 위치한다. "비분산면"이라 함은 분산면과 표적면에 대해 수직으로 존재하는 면으로 정의된다. 따라서 자석(214)은, 면내에서 부적당한 질량 대 전하 비를 가진 빔 이온으로부터 분리하여 입구 궤적(234)으로부터 출구 궤적(235)까지 및 웨이퍼가 위치하는 표적면 쪽을 향하여 빔의 방향을 잡아줌으로써 질량분석을 수행한다.
리졸빙 항우징(223)은 본 발명의 윈리에 따라 구성된 정전 렌즈(electrostatic lens)(236)을 가지고 있는데, 이것은 자석(214)에 의하여 출력된 이온 빔(228)을 질량에 따라 분리하여 집속하는 기능을 한다. 정전 렌즈(236)는 말단 전극쌍(237), 억제 전극쌍(238) 및 접지 혹은 분리용 전극쌍(239)으로 구성된 삼중 전극 [트리오우드(triode)]으로 구성되어 있다. 말단 전극쌍(237)은 하우징(217)에 고정되어 있으며 그 전압에서 동작한다 [가속 모우드에서는 양으로, 감속 모우드에서는 음으로, 그리고 편류(drift) 모우드에서는 0]. 접지 전극(238)의 각각의 쌍과 같이 억제 전극(238)은 각각 서로간에 대하여 접근하거나 떨어지도록 이동을 함으로써 이들 사이의 간격을 조정한다. 억제 전극(237)은 음 전위에서 동작하며 분리용 전극(239)은 접지 전위(0 볼트)에 있다.
억제 및 분리용 전극쌍(238, 239)을 함께 조절용 렌즈(240)라 부른다. 리졸빙 하우징(223)은 정전 렌즈(236) 및 파라데이 플랙(Faraday flag)(242) 등의 선량측정 지시계가 있는 체임버(241)를 형성한다. 이 체임버(241)는 진공 펌프(243)에 의해 진공상태로 된다. 인접한 빔 중화기(224)는 전자 샤워(shower)(245)를 포함한 2차 체임버(244)를 형성한다. 전자 샤워(45)는 양으로 하전된 이온 빔(228)에 의해 주입됨으로 인하여 표적 웨이퍼에 축적될 수 있는 양전하를 중화한다.
최종 처리부(216)에서의 디스크 형상의 웨이퍼 지지대(225)는 모우터(246)에 의해 회전한다. 이온 빔은 이들이 원형의 통로를 따라 이동하면서 이 지지대에 설치된 웨이퍼에 충돌한다. 최종 처리부(216)는 일반적으로 이온 빔의 통로와 평행한 축(247)을 따라 선회하므로 표적면을 이 축주위에서 조정할 수 있다. 이렇게 하여 이온 주입각을 정상각으로부터 약간 정도 수정할 수 있다.
본 발명은 컴퓨터에 전형적으로 저장된 정보의 데이터 베이스를 이용하여 주입과정을 개선하는 소재표면 처리용 시스템에 관한 것이다. 도 4 및 도 5의 플로우 차아트는 본 발명을 실시하는 도중에 실행되는 과정의 단계를 나타낸 것이다. 도 1 및 도 2의 이온 주입기(10)와 도 6에 나온 소오스(112)에는 모두가 이온 플라즈마를 생성하는 진공 영역을 가지고 있다. 도 4의 플로우 차아트는 도 6의 시스템에 의해 데이터를 수집하는 과정(150)을 나타낸 것이다. 플라즈마에 대해 두가지 과정(160, 170)이 실행된다. 첫번째 단계는 이온에 대해 질량분석(160)을 하여 질량분석 데이터를 기록하는 단계이다. 이 과정단계는 자석(214), 그 자장 출력 및 파라데이 컵에 대한 제어를 하여 자석 하류에서의 빔 강도를 모니터링함으로써 실행된다. 질량분석 데이터를 기록하는 단계는 범용(汎用)의 컴퓨터 등의 프로그램 제어기를 사용하여 실행된다. 질량분석을 하는 기존의 바람직한 한가지 기술은, 제어된 아아크 또는 통로를 따라 웨이퍼 지지대(225) 뒤에 위치한 파라데이 컵 검출기(180)쪽으로 이온을 휘어지게 하는 자석(120)(도 6)의 동작을 컴퓨터를 사용하여 제어하는 것이다.
도 4에 나온 과정의 두번째 단계는 플라즈마 체임버(212)내의 이온 플라즈마를 광학분석(170)하여 그 분석 데이터를 기록하는 것이다. 광학분석(170)은 플라즈마 체임버(218)내의 이온 플라즈마를 분별하는 광학적 분광계(270)를 사용하여 실행한다. 이들 두가지 데이터 수집단계(160, 170)에서 동일한 플라즈마의 두가지 분석 데이터를 얻게 된다. 각 플라즈마 농도에 대한 분광분석 데이터와 질량분석 데이터가 함께 저장되어 다음의 과정에 이용되는 기록된 데이터 베이스(185)를 작성한다. 이들 수집된 데이터는, 자석(214)에 결합된 I/O 인터페이스와 데이터 베이스(185) 저장용의 디스크 드라이브 등의 질량분석 데이터 저장 장치를 포함하는 범용의 프로그램 제어기를 사용하여 저장한다. 컴퓨터에서 실행되는 인공지능(artificial intelligence) 소프트웨어(190)를 포함하는 여러 가지 컴퓨터 프로그램의 조합을 데이터 베이스(185)의 데이터를 활용하는 프로그램화함으로써 관찰된 데이터에 근거한 플라즈마의 파라메터를 예측한다. 본 발명의 한가지 특징에 의하면 동일한 인공지능 소프트웨어를 실행하는 컴퓨터(195)에 의하여 도 1의 시스템(10)의 이온주입 과정에서의 적어도 한가지의 파라메터를 제어하거나, 혹은 이 컴퓨터를 사용하여 도 6과 관련하여 아래에 나온 과정 등의 한가지 과정을 제어할 수 있다.
데이터 베이스(185)를 만드는데 사용된 데이터는 도 7의 그래프에 나와 있다. 도 7은 광학 분광계(270)로부터 나오는 BF3플라즈마(가스농도 고정)의 광방출에 대한 그래프이다. 피이크를 발생한 구성 입자로써 다수의 피이크를 표시(labelling)하였다. 이들 피이크는 기타 여러 문헌에서 정리되어 있는 광학 분광학 정보로부터 수집한 용이하게 확인된 파장 데이터로부터 유래한 것이다. 예컨대 311 nm 피이크는 중성으로 하전된 BF 분자에 대해 공지된 스펙트럼 피이크이다. 여기서 주의할 것은 도 7에서의 그래프에 대한 데이터는 플라즈마에 입력된 특정 전력 및 특정 압력의 특정한 출발 가스(3플루오르화 붕소)에 근거한 것이다. 가스 농도를 변화시키면 각 성분의 상이한 특성곡선을 나타내므로 도 7의 데이터는 달라진다. 바람직한 데이터 수집단계(170)에 있어서는 압력을 변화시키고 도 7에 나온 파장에서의 전체 분광분석 결과를 각각의 가스압과 들뜸 에너지(excitation energy)에 대한 데이터 베이스(185)에다 저장한다. 따라서 상이한 가스압과 상이한 Rf 전력에 대한 일련의 상이한 데이터는 광방출 및 질량 스펙트럼 분석결과로부터 정리하여 표로 작성한다. 어떤 측정 가능한 가스밀도 상태에서 플라즈마를 발생시킨 다음 해당 플라즈마에 대한 질량분석용 자석의 자장 강도를 변화시킴으로써 전체 데이터 베이스를 집약한다. 이렇게 함으로써 도 8에 나온 것과 같은 데이터를 얻음과 동시에 도 7의 데이터를 얻어 데이터 베이스에 저장한다. 추가로 데이터를 수집하자면 플라즈마 체임버속으로 주입되는 원재료의 가스압을 조정하여 다시 질량분석과 광학 스펙트럼 분석을 실시한다.
바람직한 예측과정에서는 인공 지능 또는 신경망 소프트웨어와 관련된 알고리즘을 익히는 것이다. 이 과정에는 분광분석에서의 데이터 포인트를 도 8의 질량 데이터와 함께 이미 얻은 데이터 베이스의 분광분석 결과와 비교하는 과정이 포함된다. 신경망 훈련 및 훈련된 알고리즘을 이용하여 소오스 체임버(12)내의 플라즈마 성분의 상대적인 농도를 얻는다. 이 분석을 실행하는 바람직한 컴퓨터 프로그램은 신경망 훈련을 위한 유전 알고리즘(genetic algorithm), 모의 어니일링(simulated annealing) 또는 백 프로퍼게이션(back propagation) 등의 기술을 이용한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명을 실시할 때 사용하는 몇 개의 선량측정 컵(60)이 추가된 도 1의 전도성 소재 지지대(30)를 나타낸 것이다. 여기서는 도 1에 나온 이온주입 시스템(10)에 관한 설명을 하고 있지만 선량측정 컵들을 회전식의 소재 지지대(225)(도 6에는 도시되어 있지 않음)에 설치함으로써 도 6에 나온 이온주입 시스템에다 선량측정 컵들을 마찬가지로 추가할 수도 있다. 이들 컵(60)을 설치할 때는 상부판(66)이 소재(14)의 주입면과 일치하여 평평하도록 한다. 주입면쪽으로 가속된 이온들은 개구(62)속으로 들어가서 측정된다. 소재(14)에 컵(60)이 바로 인접해 있으므로 컵(60)으로 들어가는 이온의 량이 소재에 주입되는 이온의 량을 나타내게 된다. 선량측정 컵(60)에 의하여 선량측정 컵의 수집면 [도 3에서(69)로 나타냄]에 충돌하는 총 전류를 측정하게 된다. 이어서 이 전류값을 제어 유닛(195)으로 조작하여 선량측정 컵속과 이에 대응하게 소재(14) 표면에서의 1 cm2당의 전하를 결정한다. 지지대(30)의 주변에 4개의 컵(60)을 사용하면 각기 상이한 위치에서 선량 데이터를 얻게 된다.
도 3은 선량측정 컵(60)의 단면을 상세히 나타낸 것이다. 이 선량측정 컵의 형상은 일반적으로 실린더 형상이며, 여기에는 상부판(66), 상부 파라데이 전극(63), 절연체(64) 및 저부 파라데이 수집판(65)을 가지고 있다. 주입면의 원주상 주위에 부채꼴(도시되지 않았음) 등의 기타 형상을 가진 선량측정 컵을 다수 배치하여도 좋다. 선량측정 컵의 상부판(66)의 위치는 소재(14a)(도시되지 않았음)의 주입면과 동일한 레벨로 한다. 이온을 소재쪽으로 가속시키는데 사용되는 펄스 발생기(50)에다 상부판(66)을 전기접속한다. 따라서 상부판(66)은, 소재 지지대(30)가 펄스 발생기에 의해 바이어스될 경우에는 전기적으로 바이어스되므로 영역(42)으로부터의 플라즈마 이온을 선량측정 컵(60)속으로 끌어당긴다.
상부 파라데이 전극(63)을 전원(70)에 의해 상부판(66)에 대하여 음으로 바이어스되게 유지한다. 적당한 음 바이어스(negative bias)는 -200 V이다. 상부판(66)과 상부 파라데이 전극(63) 사이의 음전위로 인하여 판(65)에 충돌하는 이온에 의해 생기는 2차 전자가 선량측정 컵(60)으로부터 이탈하지 못하며, 또한 플라즈마 전자가 선량측정 컵(60) 속으로 유입하지 못하는데, 이들 두가지는 선량측정 컵 측정시의 정확도를 기하는 것이다.
절연체(64)는 상부 파라데이 전극(63)과 저부 파라데이 수집판(65)을 전기적으로 절연한다.
이 실시예에 있어서 저부 파라데이 수집판(65)은 전압원(61)에 의하여 상부판(66)에 대해 20 V로 양으로 바이어스된다. 이러한 양 바이어스(positive bias)로 인하여 펄스 발생기(50)로부터의 펄스 사이에서 수집판(65)속으로 플라즈마 이온이 편류(drifting)하지 못하게 되고, 또한 선량측정 컵(60)에서의 이온의 일탈을 방지한다. 펄스 발생기(50)가 소재 지지대(30)와 상부판(66)에 음펄스를 가하면 수집판(65)도 음으로 되는데, 이 실시예에 있어서 수집판은 펄스 발생기에 의해 인가된 음전압(대표적으로 20 킬로볼트)보다 훨씬 20 볼트나 양(positive)이다. 수집판의 전압은 소재 지지대에 인가된 펄스의 크기에 비해 약간 정도만이 변하기 때문에, 플라즈마 이온은 소재(14)의 표면에 충돌하는 플라즈마 이온과 동일한 방식과 양으로 수집판(65)쪽으로 이끌리므로 소재 선량을 정확히 얻을 수 있다.
도 5는 분광분석 측정과 선량측정 컵 데이터를 조합한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 처리단계의 실시를 나타낸 플로우 차아트이다. 도 5에 나온 과정은 도 1 또는 도 6의 이온주입 시스템에 사용되는 본 발명을 설명하는 것이다. 주입과정을 개시하면 플라즈마가 발생한다(310). 플라즈마에 대한 광방출 분광분석 데이터(OES)와 질량분석 데이터를 수집한다(320). OES 데이터를 도 6에서는 분광계(270)로부터 수집하며 도 1에서는 분광계(175)로부터 수집한다. 미리 작성된 데이터 베이스로부터 질량분석 데이터를 얻는다. 작성된 데이터 베이스를 참조하면서 단계(330)에서는 플라즈마 성분을 처리과정의 성분규격과 비교한다. 만일 플라즈마 성분이 만족하지 못하면 혼합가스 및/또는 전력출력을 조정한다(340). 플라즈마 성분이 허용범위내이면 하나 이상의 소재에 대해 이온주입을 실시한다(350).
하나 이상의 선량측정 컵으로부터의 전류를 모니터링하고 OES 데이터를 수집한다(360). 이 데이터로부터 이온주입 지속시간을 예측한다(367). 선량측정 컵 및 OES 데이터로부터의 선량 시그날에 의해 측정된 시간간격에 근거하여 소재의 도핑이 소정의 레벨에 도달하였음이 확인될 때 까지(370), 소재의 처리를 계속한다. 소재의 선량을 제어 유닛(195)(도 1에 나옴)으로 구한다. 변조기로부터의 다중 펄스를 적분함으로써 총 전하를 얻어 개구면적으로 나눔으로써 면적당 혹은 선량당의 전하를 얻는다. 제어 유닛(195)에 의해 소재의 선량을 소요의 선량에 대해 계속하여 비교한다. 주어진 웨이퍼에 대해 선량 레벨이 만족스러우면, 이온주입 과정을 중지하고 체임버속으로 새로운 웨이퍼를 교체한다.
본 발명에 의하여 정확한 플라즈마 성분 측정과 연속적인 실시간 선량측정을 조합함으로써 제조환경하에서의 도핑 정확도를 향상시킬 수 있다.

Claims (15)

  1. 가) 이온의 농도를 조성하는 단계(310)와,
    나) 이온의 농도를 분광분석하여 그 분광분석 데이터를 기록하는 단계(320)와,
    다) 상기 분광분석 데이터와, 주어진 이온농도에 대한 분광분석 데이터(170)가 그 다음의 데이터 활용을 위해 저장된 저장매체의 기록 데이터 베이스(185)를 비교하여 이온농도의 성분이 만족스러운가를 결정하는 단계(330)와,
    라) 상기 농도의 이온을 소재표면에 충돌시키는 단계(350)와,
    마) 소재(14)에 주입된 이온의 선량을 상기 이온농도의 이온으로써 측정하는 단계(360), 및
    바) 일단 적당한 선량에 도달하면 소재의 이온주입을 종료하는 단계를 포함하는 소재표면속으로의 이온의 주입방법.
  2. 제1항에 있어서, 기록된 데이터 베이스는 분광분석 데이터와 상관을 가진 질량분석 데이터를 포함하는 소재표면속으로의 이온의 주입방법.
  3. 제1항에 있어서, 이온농도를 조성하는 단계(310)를 이온 소오스 체임버(12)내에서 실시하는 소재표면속으로의 이온의 주입방법.
  4. 제1항에 있어서, 이온농도를 조성하는 단계를 프로세스 체임버내에 이온 플라즈마를 발생시켜 실시하는 소재표면속으로의 이온의 주입방법.
  5. 제1항에 있어서, 소재속으로 주입된 이온의 선량을 측정하는 단계를, 전기적으로 바이어스된 선량측정 컵(60)에 이온을 수집함으로써 실시하는 소재표면속으로의 이온의 주입방법.
  6. 제1항에 있어서, 이온농도의 성분이 만족스러운가를 결정하는 단계를 신경망을 사용하여 실시하는 소재표면속으로의 이온의 주입방법.
  7. 제1항에 있어서, 소요의 선량수준에 도달하면 주입과정을 중단하는 단계를 추가로 포함하는 소재표면속으로의 이온의 주입방법.
  8. 제1항에 있어서, 광학 분석법으로 측정된 이온농도의 성분이 불만족스러우면 주입과정을 중단하는 단계를 추가로 포함하는 소재표면속으로의 이온의 주입방법.
  9. 가) 이온처리를 위하여 하나 이상의 소재(14)를 삽입할 수 있는 체임버 내부(24)를 형성하는 프로세스 체임버(12)와,
    나) 이온 플라즈마를 발생하는 에너지원(40)과,
    다) 이온 플라즈마를 모니터링하며 광학 데이터를 제공하는 광학 센서(175)와,
    라) 광학 센서로부터 얻은 분광분석 결과를 이온 플라즈마의 성분과 상관을 짓는 데이터 저장 장치(185)와,
    마) 하나 이상의 소재의 주입표면을 이온 플라즈마속에 위치하도록 프로세스 체임버(12)의 내부영역(24)내에 소재 하나 이상을 설치하는 소재 지지대(30)와,
    바) 이온 플라즈마로부터의 이온을 소재의 주입표면에 충돌시키는 이온 가속 수단(50)과,
    사) 주입표면과 평행한 이온수집 표면을 포함하는 하나 이상의 전기적으로 바이어스된 선량측정 컵(60)과,
    아) 선량측정 컵 데이터로부터 소재의 이온선량 레벨을 계산하는 연산수단(195)을 포함하는, 이온을 주입표면에 충돌시키는 이온주입 시스템(10).
  10. 제9항에 있어서, 데이터 저장장치(185)는 분광분석 결과와 질량분석 결과를 추가로 상관짓는 이온주입 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 연산수단(195)이 신경망인 이온주입 시스템.
  12. 제9항에 있어서, 연산수단과 접속되어 주입 파라메터들을 제어하는 제어 유닛을 추가로 포함하는 이온주입 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 제어된 파라메터가 주입 과정의 지속시간인 이온주입 시스템.
  14. 제9항에 있어서, 이온가속 수단은 소재 지지대(30)와 전기적으로 접속되어 이온을 지지대쪽으로 끌어당기는 전기 펄스를 가하는 펄스 발생기(50)인 이온주입 시스템.
  15. 제9항에 있어서, 이온 가속수단은 복수개의 전극(227)인 이온주입 시스템.
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