KR20030097284A - 이온 주입 설비의 이온 소스 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 제조공정의 이온 주입 공정에서 반응 가스를 이온화시키기 위한 이온 주입 설비의 이온 소스(ion source)에 관한 것이다. 본 발명의 이온 소스는 가스 라인을 통해 가스를 공급받는 아크 챔버를 갖는다. 아크 챔버는 가스 라인이 연결되는 그리고 가스 분사 속도를 높이고 가스를 아크 챔버 내에 고르게 분사시키기 위한 분사 노즐을 구비한다.

Description

이온 주입 설비의 이온 소스{ION SOURCE FOR ION IMPLANTATION EQUIPMENT}
본 발명은 반도체 제조 공정의 이온 주입 설비에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 반도체 제조공정의 이온 주입 공정에서 사용되는 불순물 등을 이온화시켜 기판에 주입하기 위한 이온 주입 설비의 이온 소스(ion source)에 관한 것이다.
반도체장치의 제조를 위한 여러 공정 중 이온주입공정은 열확산기술과 함께 기판 실리콘 중에의 불순물의 도입을 위한 기본 공정기술의 하나이다.
이온주입공정의 수행을 위하여 주로 사용되는 이온 임플랜터(Ion implantor)는 고에너지의 이온을 기판에 충돌시켜서 물리적으로 매립하도록 하는 설비로서, 웨이퍼에 주입될 이온을 제공하는 이온소스를 갖는다.
상기 이온소스는 이온을 발생시키기 위하여 이온화(ionization)를 수행하는 소스로서 아크 챔버(Arc chamber)가 사용되며, 이를 도 1에 개략적으로 도시하였다.
도 1에 나타난 바와 같이, 아크 챔버(12)에는 전류가 인가되는 필라멘트(14)와, 필라멘트(14)와 대향하는 부분에 음극 전류가 인가되는 리플렉터(reflector;16)가 설치된다. 그리고 상기 아크 챔버의 베이스 플레이트(13)에는 가스 도입구(inlet port;18)가 형성되어 있으며, 이 가스 도입구(18)에는 아크 챔버(12)내로 이온의 원천이 되는 가스를 공급하는 가스 공급관(20)이 연결되어 있다.
도면에서 보여주는 바와 같이, 상기 이온 소스는 가스 도입구(18)가 하나의커다란 홀(직경 10mm)로 이루어짐으로써 다음과 같은 문제점들이 발생된다.
첫째, 상기 이온 소스(10)는 가스가 아크 챔버(12)내로 플로우(flow)되는 속도가 현저하게 낮기 때문에, 가스 분자의 유동성(mobility)이 떨어진다. 이러한 가스 분자의 유동성 저하는 필라멘트(14)로부터 발생되는 열전자들과의 충돌 효율을 떨어뜨리는 원인이 된다.
둘째, 상기 이온 소스(10)는 가스가 아크 챔버(12) 내부로 고르게 퍼지지 못하고, 가스 도입구(18)의 전방(점선으로 표시된 부분에 집중됨)에 집중적으로 몰리는 경향이 짙다. 이러한 가스 공급 형태는 이온빔 형성을 위한 플라즈마 형성에 비효율적이다.
이러한 문제들은 아크 챔버(12)내 이온화 효율을 떨어뜨리며, 특히 가스 사용량을 증가시키는 주요 원인이 된다.
셋째, 아크 챔버(12) 내부에는 반응 가스를 이온화하는 과정에서 많은 증착 잔류물들이 형성된다. 특히, 이 증착 잔류물(a)들은 텅스텐 재질의 베이스 플레이트( 특히, 가스 도입구)에 축적되어 이온화 공정이 진행됨에 따라 성장하게 되고, 결국에는 가스 도입구(18)가 증착 잔류물들에 의해 좁아져 가스 공급이 원활하지 못하게 되는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 반응 가스의 공급 구조를 개선하여 이온화 효율을 높일 수 있는 새로운 형태의 이온 주입 설비의 이온 소스를 제공하는데 있다. 다른 목적은 가스 사용량을 절감시킬 수 있는 새로운 형태의 이온 주입 설비의 이온 소스를 제공하는데 있다. 다른 목적은 가스를 원활하게 공급할 수 있는 새로운 형태의 이온 주입 설비의 이온 소스를 제공하는데 있다.
도 1은 일반적인 이온 주입 설비의 이온 소스를 보여주는 개략도;
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온 소스가 적용된 이온 주입 설비의 개략적인 구성도;
도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온 소스의 단면도;
도 4는 도 3에 도시된 분사 노즐의 사시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
110 : 이온 소스
112 : 아크 챔버
114 : 필라멘트
116 : 리플렉터
118 : 출구
120 : 분사 노즐
122 : 가스분사공
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명의 이온 소스는 가스 라인을 통해 가스를 공급받는 아크 챔버와, 상기 아크 챔버에 설치되는 제 1 전극과, 상기 제 1 전극과 대향되게 설치되는 제 2 전극을 갖는다. 여기서, 상기 아크 챔버는 상기 가스 라인이 연결되는 그리고 가스 분사 속도를 높이고 가스가 상기 아크 챔버 내에 고르게 분사시키기 위한 분사 노즐을 구비한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 분사 노즐은 증착 잔류물 형성을 방지하기 위해 보론 나이트라이드(BORON NITRIDE) 또는 세라믹 재질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 분사 노즐은 다수의 미세 구멍(분사구)들을 갖는다.
예컨대, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면 도 2 내지 도 4에 의거하여 상세히 설명한다. 또 도면들에서 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 병기한다.
도 2에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온 소스가 적용된 이온 주입 설비의 개략적인 구성도이다. 도 2를 참고하면, 이온 주입 설비(100)는 반응 가스를 이온화하여 이온빔을 형성하는 이온소스(110), 이온빔으로부터 바람직하지 않은 종류를 분리하는 분석기(130), 일정 범위(예를 들면, 2KeV 내지 200KeV의 범위)의 에너지로 이온빔을 가속시키기 위한 가속기(140), 그리고 이온 주입 챔버(150)를 포함하고 있다.
도 3을 참고하면, 상기 이온 소스(110)는 반응 가스를 이온화시키는 아크 챔버(112)를 구비한다. 상기 아크 챔버(112)내에는 전류가 인가되어 열전자를 발생하는 필라멘트(114)가 설치되어 있다. 상기 아크 챔버(110)내에는 음극 전류가 인가되는 리플렉터(116)가 설치되어 있다. 상기 필라멘트(114)와 상기 리플렉터(116)는 상기 아크 챔버(112)내에 서로 대향되게(마주보게) 배치된다. 한편, 상기 아크 챔버(112)의 베이스 플레이트(113a)에는 가스 분사 노즐(120)이 설치되어 있다. 상기 가스 분사 노즐(120)과 대향되는 상기 아크 챔버의 전면(front) 플레이트(113b)에는 이온화된 이온빔이 빠져나가는 출구(118)가 형성되어 있다.
상기 분사 노즐(120)에는 가스 라인(180)이 연결된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 분사 노즐(120)은 작은 가스분사공(직경 0.5mm;122)들을 가지고 있다. 이러한 구조를 갖는 분사 노즐(120)은 상기 아크 챔버(112)로 제공되는 반응 가스의 유동(flow) 속도를 높일 수 있을 뿐만 아니라, 반응 가스를 상기 아크 챔버(112) 내에 고르게 분포시킬 수 있는 것이다. 반응 가스는 가스 저장소(도시 안됨)로부터 상기 분사 노즐(120)을 통하여 상기 아크 챔버(112)내로 공급되어 필라멘트(114)를 통하여 공급되는 전류에 의해 이온화 된다.
반응 가스 저장소로부터 As, P, B, Ar 등과 같은 불순물을 포함하는 반응 가스는 상기 분사 노즐(120)을 통해서 상기 아크 챔버(112) 내로 빠른 유속을 가지고 공급된다. 반응 가스가 상기 아크 챔버(112)내로 제공되면, 전류가 상기 필라멘트(114)에 인가되고 필라멘트(114)로부터 열전자가 발생된다. 상기 필라멘트(114)에서 발생된 열전자들은 반응 가스와 충돌하면서 반응 가스 원자 또는 분자내의 전자들을 방출시켜 반응 가스를 이온화 시킨다. 이온화된 반응 가스(이온 빔)는 아크 챔버의 출구(118)를 통하여 배출되어 가속기에서 소정의 에너지를 갖도록 가속되어 이온 주입 공정에 사용된다.
상기 필라멘트에서 방출된 열전자는 상기 아크 챔버(112)와 필라멘트(114) 간의 전위차에 의하여 아크 챔버(112)의 벽쪽으로 향하면서 상기 반응 가스와 충돌하여 이온화를 진행시킨다. 여기서, 반응 가스는 상기 분사 노즐(120)의 분사공(122)을 통과하면서 아크 챔버(112)내로 빠른 유속을 가지고 플로우된다. 즉, 상기 반응 가스의 플로우 속도가 빠르기 때문에, 반응 가스 분자의 유동성(mobility)이 증가되고, 이는 필라멘트에서 방출된 열전자와의 충돌 효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있는 것이다.
이처럼, 본 발명의 이온 소스는 반응 가스의 플로우 속도를 높임으로써, 가스 분자와 열전자 간의 충돌 효율을 증가시켜 이온화 효율을 향상시킬 수 있는 각별한 효과를 얻을 수 있는 것이다.
그 뿐만 아니라, 본 발명의 이온 소스(110)는 반응 가스가 분사 노즐(120)을통해 분무식(샤워식)으로 플로우 되면서 상기 아크 챔버(112) 내부에 고르게 분포됨으로써, 열전자와의 충돌 효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있는 것이다.
상기 아크 챔버(112) 내부에는 반응 가스를 이온화하는 과정에서 많은 증착 잔류물들이 형성된다. 특히, 이 증착 잔류물들은 텅스텐 재질의 베이스 플레이트(가스 도입구)에 축적되어 이온화 공정이 진행됨에 따라 성장하게 된다. 하지만, 상기 분사 노즐(120)은 보론 나이트라이드(BORON NITRIDE) 또는 세라믹 재질로 이루어짐으로써, 증착 잔류물의 축적을 방지할 수 있는 것이다. 따라서, 본 발명의 이온 소스는 장기간을 사용하더라도 가스를 원활하게 공급할 수 있다.
이상에서는 바람직한 실시예들을 예시하고 그 것을 통해서 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 거기에 한정되는 것이 아님을 유의해야 하며, 본 발명의 사상과 기술적 범위를 벗어나지 않는 선에서 다양한 실시예들 및 변형예들이 있을 수 있다는 것을 잘 이해해야 한다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 반응 가스의 공급 구조를 개선함으로써 이온화 효율을 향상시킬 수 있으며, 그로 인해 가스 사용량을 절감시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 분사 노즐의 재질 특성상 증착 잔류물의 축적이 방지됨으로써 장기간 사용에도 가스를 원활하게 공급할 수 있는 이점이 있다.

Claims (5)

  1. 이온 주입 설비의 이온 소스에 있어서:
    가스 라인을 통해 가스를 공급받는 아크 챔버;
    상기 아크 챔버에 설치되는 제 1 전극과,
    상기 제 1 전극과 대향되게 설치되는 제 2 전극을 포함하되;
    상기 아크 챔버는 상기 가스 라인이 연결되는 그리고 가스 분사 속도를 높이고 가스가 상기 아크 챔버 내에 고르게 분사시키기 위한 분사 노즐을 구비하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 설비의 이온 소스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사 노즐은 증착 잔류물 형성을 방지하기 위해 보론 나이트라이드(BORON NITRIDE) 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이온 주입 설비의 이온 소스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사 노즐은 증착 잔류물 형성을 방지하기 위해 세라믹 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이온 주입 설비의 이온 소스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사 노즐은 다수의 미세 구멍들을 갖는 것을 특징으로 하는 이온 주입 설비의 이온 소스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 아크 챔버는
    상기 분사 노즐이 설치되는 제1 플레이트와,
    상기 제1 플레이트와 대향되게 위치되고 이온빔이 배출되는 출구가 형성된 제2플레이트를 갖는 것을 특징으로 하는 이온 주입 설비의 이온 소스.
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