KR20070093199A - Ion-implanting apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 이온주입장치의 구조를 나타내는 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a plasma ion implantation apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 재치대에 인가하는 교류형 고전압 펄스의 형태를 설명하는 도면이다. 2 is a view for explaining the shape of the AC high-voltage pulse applied to the wafer mounting base according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 동기화된 펄스 RF 전력과 고전압 펄스의 관계를 나타내는 도면이다. 3 is a diagram illustrating a relationship between a synchronized pulsed RF power and a high voltage pulse according to an embodiment of the present invention.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>
1 : 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 이온주입장치1: plasma ion implantation apparatus according to an embodiment of the present invention
10 : 진공 챔버 20 : RF 안테나10: vacuum chamber 20: RF antenna
30 : 펄스 RF 발생부 40 : 웨이퍼 재치대30: pulse RF generator 40: wafer mounting table
44 : 도전체 46 : 절연막44 conductor 46 insulating film
50 : 고전압 펄스 공급부 60 : 가스 공급부50: high voltage pulse supply 60: gas supply
72 : 냉매 순환 유로 80 : 진공 펌프72: refrigerant circulation flow path 80: vacuum pump
W : 웨이퍼W: Wafer
본 발명은 플라즈마 이온주입장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유도 결합 플라즈마와 웨이퍼 재치대에 인가된 고전압 펄스를 이용하여 반도체 등의 제조공정에서 이온 주입 등을 수행하는 플라즈마 이온주입장치에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
일반적으로 반도체 소자 제조를 위하여 실리콘 등의 박막에 붕소(B), 인(P), 비소(As) 등의 불순물 도핑 방법으로는 이온빔을 이용하는 이온주입 방법이 가장 널리 이용되어져 왔다. 그러나 반도체의 집적도가 증가됨에 따라 불순물의 이온주입 깊이는 수십 나노미터 이하의 낮은 이온주입 깊이를 요구하게 되었다. 이를 위해서는 이온주입 장치의 이온빔 에너지를 10 keV ~ 수백 eV 까지 낮추어야 한다. 그러나 이러한 낮은 에너지로 이온 주입할 경우, 'Child-Langmuir 전류제한(Child-Langmuir current limit)' 이라는 현상 때문에 이온량이 감소하므로 이온주입 속도가 현저히 저하되는 단점이 있다. 또한 대면적 웨이퍼에의 균일한 이온주입을 위한 이온빔 분산장치가 필요하고, 이온빔으로 인한 전하집중(charging) 현상으로 인하여 이온 주입시 초고집적 반도체 내의 두께가 얇은 절연막들이 파괴되므로 전하 집중을 막기 위한 장치가 추가적으로 필요하게 된다. 따라서 이러한 이온빔을 이용하는 이온주입 장비는 장비의 가격이 매우 고가인 단점이 있다. In general, an ion implantation method using an ion beam has been most widely used as an impurity doping method such as boron (B), phosphorus (P), or arsenic (As) in a thin film such as silicon. However, as the degree of integration of semiconductors increases, the ion implantation depth of impurities requires a low implantation depth of several tens of nanometers or less. To do this, the ion beam energy of the ion implanter must be lowered from 10 keV to several hundred eV. However, when the ion implanted at such a low energy, since the amount of ions is reduced due to the phenomenon called 'Child-Langmuir current limit', the ion implantation speed is significantly reduced. In addition, an ion beam dispersing device is required for uniform ion implantation into a large area wafer, and a device for preventing charge concentration because thin insulating films in an ultra-high density semiconductor are destroyed at the time of ion implantation due to the charging phenomenon caused by the ion beam. Additionally required. Therefore, the ion implantation equipment using the ion beam has a disadvantage that the price of the equipment is very expensive.
반면에 플라즈마와 고전압 펄스를 이용하는 플라즈마 이온주입 기술(미국 특허 제4,764,394호, 대한민국 특허 제137,704호)은 대면적 입체 시료의 표면에 균일하게 이온을 주입하여 표면 개질을 이룰 수 있는 기술로, 반도체의 불순물 도핑 방 법으로도 기존의 이온빔을 이용하는 이온 주입 방법에 비하여 매우 유리하다. 즉, 플라즈마와 고전압 펄스를 이용하므로 'Child-Langmuir 전류제한'에 제한받지 않는다. 따라서 대면적 웨이퍼에의 균일한 이온주입을 매우 빠른 속도록 구현할 수 있으며, 이온빔 분산장치 등이 필요하지 않다. 또한 웨이퍼 표면에의 전하집중 현상이 본질적으로 존재하지 않게 되며, 장치가 간단하므로 다른 반도체 공정 장비와의 결합성(clustering)이 우수하고 장비 가격 또한 매우 낮출 수 있는 장점이 있다. On the other hand, plasma ion implantation technology using plasma and high voltage pulses (US Pat. No. 4,764,394, Republic of Korea Patent No. 137,704) is a technology capable of surface modification by uniformly injecting ions into the surface of a large-area three-dimensional sample. Impurity doping is also very advantageous over ion implantation using conventional ion beams. In other words, it uses plasma and high voltage pulse, so it is not limited to 'Child-Langmuir current limit'. Therefore, uniform ion implantation into a large area wafer can be realized very quickly, and an ion beam dispersing device or the like is not required. In addition, there is no charge concentration phenomenon on the wafer surface, and since the device is simple, it has the advantage of excellent clustering with other semiconductor processing equipment and a very low equipment cost.
한편 기존의 플라즈마를 이용한 반도체 도핑 기술은, B2H6, BF3, PH3, AsH3 등의 가스를 이용하여 발생된 연속적인 플라즈마와 고전압 펄스를 이용하여 플라즈마 내의 이온을 가속하여 웨이퍼 표면에 이온 주입하는 기본적인 방법을 이용한다. 그러나 연속적인 플라즈마를 이용할 경우 고전압 펄스가 가해지는 시간뿐만 아니라 펄스가 가해지지 않는 시간 동안에도 플라즈마가 발생되고 있으며 이로 인하여 웨이퍼 표면에 박막 등의 불순물이 형성된다. 이는 이온주입 특성을 심각하게 저하시키게 된다. On the other hand, the conventional semiconductor doping technique using plasma, accelerates the ions in the plasma using a continuous plasma generated by the gas such as B 2 H 6 , BF 3 , PH 3 , AsH 3 and high voltage pulse to the wafer surface The basic method of ion implantation is used. However, when continuous plasma is used, plasma is generated not only during the time when the high voltage pulse is applied but also during the time when the pulse is not applied, thereby forming impurities such as a thin film on the wafer surface. This seriously degrades the ion implantation characteristics.
이러한 연속 플라즈마의 단점을 보완하기 위하여, 웨이퍼에 인가되는 고전압 펄스를 이용하여 직접 플라즈마를 발생시킴과 동시에 이온주입을 수행하는 방법(미국특허 제5,654,043호), 펄스 냉음극 방전을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 방법(미국특허 제5,354,381호), 또는 보조전극을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 방법(한국특허 제2002-0047294호) 등을 고안하여 고전압 펄스가 가해지는 시간 동안에만 플라즈마를 발생시키고자 하였다. 그러나 펄스 냉음극을 이용할 경우 냉음극 재 료가 웨이퍼 오염원으로 작용할 수 있으며, 고전압 펄스 또는 보조전극을 이용한 플라즈마 발생은 기본적으로 직류 전압을 이용하므로 낮은 압력 하에서는 플라즈마 발생이 불가능하여 수 십 mTorr 이상의 높은 압력에서 작동된다. 따라서 주입되는 이온의 가스와의 충돌에 의하여 이온주입 에너지가 감소하고 다양해지는 단점이 있다. In order to compensate for the shortcomings of the continuous plasma, a method of directly generating a plasma using a high voltage pulse applied to a wafer and simultaneously performing ion implantation (US Pat. No. 5,654,043), generates a plasma using a pulse cold cathode discharge. By devising a method (US Pat. No. 5,354,381) or a method of generating plasma using an auxiliary electrode (Korean Patent No. 2002-0047294), etc., it was intended to generate the plasma only during a time when a high voltage pulse was applied. However, in the case of using the pulse cold cathode, the cold cathode material may act as a wafer contamination source. Plasma generation using a high voltage pulse or auxiliary electrode basically uses a DC voltage, so that plasma cannot be generated under low pressure. Works on Therefore, the ion implantation energy is reduced and diversified by the collision of the injected ions with the gas.
낮은 압력에서도 플라즈마를 발생시켜 이온주입 에너지를 증가시키는 방법으로 펄스 형태의 유도결합 플라즈마를 이용하는 펄스 형태의 유도결합 플라즈마를 이용한 반도체의 도핑 방법 및 그 시스템(한국 특허 제2005-67116호)이 고안되어 있다. 그러나 이러한 펄스 형태의 유도결합 플라즈마를 이용하는 경우에도 직류 형태의 음전압 펄스를 사용하게 된다. 따라서 웨이퍼에 이온이 주입되기 위해서는 웨이퍼 재치대를 플라즈마에 노출된 전극으로 구성하여야 하며, 또한 웨이퍼가 재치대에 긴밀하게 전영역에서 밀착되어 있지 않으면 웨이퍼와 웨이퍼 재치대 사이의 이격 공간에서 아킹이 쉽게 발생하는 문제점이 있다. 또한 이온 주입 과정에서 발생되는 열을 효과적으로 제거하지 못하여 웨이퍼의 온도가 매우 높게 상승하며 이렇게 웨이퍼의 온도가 상승하는 경우에는 웨이퍼에 형성되어 있는 포토레지스트가 손상되는 문제점이 있으며, 플라즈마에 노출된 재치대가 쉽게 부식될 수 있는 단점이 있다. As a method of generating plasma even at low pressure and increasing ion implantation energy, a method of doping semiconductors and a system using a pulsed inductively coupled plasma using a pulsed inductively coupled plasma and a system thereof (Korean Patent No. 2005-67116) have been devised. have. However, in the case of using such a pulsed inductively coupled plasma, a negative voltage pulse of a direct current type is used. Therefore, in order to inject ions into the wafer, the wafer holder must be composed of electrodes exposed to the plasma, and arcing can be easily performed in the space between the wafer and the wafer holder unless the wafer is closely adhered to the entire holder. There is a problem that occurs. In addition, the temperature of the wafer rises very high because the heat generated during the ion implantation process cannot be effectively removed, and when the temperature of the wafer rises, the photoresist formed on the wafer is damaged. It has the disadvantage of being easily corroded.
본 발명의 목적은 플라즈마 이온주입장치의 진공챔버 내에서 웨이퍼 재치대롤 사용되는 전극을 플라즈마에 노출되지 않도록 절연체로 차폐한 플라즈마 이온주 입 장치를 제공함에 있다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a plasma ion implantation apparatus in which an electrode used for wafer placement in a vacuum chamber of a plasma ion implantation apparatus is shielded with an insulator so as not to be exposed to plasma.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 그 내부가 진공 상태를 유지하는 진공챔버; 상기 진공챔버의 상부에 설치되는 플라즈마 발생부; 상기 플라즈마 발생부의 내부의 RF 안테나에 RF 매칭부를 통하여 RF 전력을 인가하는 RF 안테나; 상기 RF 안테나에 RF 매칭부를 통하여 펄스 RF 전력을 공급하는 펄스 RF 발생부; 상기 진공챔버 내부에 절연체로 차폐되어진 전도성 재료로 마련되며, 그 상부에 웨이퍼가 장착되는 웨이퍼 재치대; 웨이퍼 재치대에 교류형 고전압 펄스를 공급하는 고전압 펄스 공급부; 상기 진공챔버에 플라즈마화할 가스를 공급하는 가스 공급부;를 포함하는 플라즈마 이온주입장치를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a vacuum chamber, the inside of which maintains a vacuum state; A plasma generator installed on an upper portion of the vacuum chamber; An RF antenna for applying RF power to an RF antenna inside the plasma generator through an RF matching unit; A pulse RF generator for supplying pulsed RF power to the RF antenna through an RF matching unit; A wafer mounting table provided with a conductive material shielded by an insulator inside the vacuum chamber, and having a wafer mounted thereon; A high voltage pulse supply unit supplying an alternating current type high voltage pulse to a wafer mounting table; It provides a plasma ion implantation device comprising a; gas supply unit for supplying a gas to be plasmaized to the vacuum chamber.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 일 실시예를 상세하게 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a specific embodiment of the present invention.
본 실시예에 따른 플라즈마 이온주입장치(1)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 진공챔버(10); 플라즈마 발생부(14); RF 안테나(20); 펄스 RF 발생부(30); 웨이퍼 재치대(40); 고전압 펄스 공급부(50); 가스 공급부(60);를 포함하여 구성된다. Plasma
먼저 진공 챔버(10)는 그 내부가 진공 상태를 유지하는 기밀 유지 챔버를 말하며, 그 내부와 외부에 다양한 구성요소가 결합되어 마련된다. 그리고 이 진공 챔버(10)의 일면은 유전체(dielectric plate, 12)로 이루어지는데, 일반적으로는 도 1에 도시된 바와 같이 챔버(10)의 상면이 유전체(12)로 이루어진다. First, the
그리고 전술한 바와 같이, 유전체(12)로 이루어진 챔버 면의 외부에는 플라즈마 발생부(14)가 장착되며, 이 플라즈마 발생부(14)의 내부에는 RF 안테나(20)가 장착되어 마련된다. 이 RF 안테나(20)는 상기 유전체(12)에 펄스 RF 전력을 인가하는 역할을 한다. 또한 상기 RF 안테나(20)에는 펄스 RF 전력을 발생시켜 공급하는 펄스 RF 발생부(30)가 연결된다. 이때 상기 펄스 RF 발생부(30)와 상기 RF 안테나(20) 사이에는, 양자를 전기적으로 매칭시켜 주는 매칭부(32)가 더 마련되는 것이 바람직하다. 이때 RF 발생부에서 발생되는 RF 전력은 도 3에 도시된 바와 같이, 외부 또는 자체적으로 발생된 펄스 신호에 의하여 시간 모듈레이트 된 것이 바람직하다. 또한 상기 펄스와 웨이퍼 재치대에 인가되는 고전압 펄스는 서로 시간적으로 동기되어지는 것이 바람직하다. As described above, the
그리고 웨이퍼 재치대(40)는 상기 진공챔버(10) 내부에 도전체(44)로 마련되며, 이 도전체(44)는 진공 챔버 내부에 노출되지 않도록 절연물질(46)로 코팅되거나 절연체 박판으로 둘러싸여 진공 챔버내에서 플라즈마와 전기적으로 절연상태를 유지하게 한다. 그리고 이 웨이퍼 재치대 상부에 공정이 처리될 웨이퍼(W)가 장착된다. 이 웨이퍼 재치대(40)는 일반적으로 상기 유전체(12)가 마련된 면과 대향되는 위치에 마련되며, 본 실시예에서는 상기 유전체(12)가 진공 챔버(10)의 상면에 마련되므로, 이 웨이퍼 재치대(40)는 챔버(10)의 하면에 배치된다. 그리고 이 웨이퍼 재치대(40)는 교류형 고전압 펄스가 인가될 수 있도록 진공챔버(10)에 전기적으로 절연되어 장착된다. 그리고 이 웨이퍼 재치대(40)는 웨이퍼(W) 직경보다 크게 제작하여 웨이퍼의 균일한 도핑을 도모한다. 또한 상기 웨이퍼 재치대(40)는 이온 주입 양을 측정할 수 있는 패러데이컵(Faraday cup) 등의 전류측정 장치(도면에 미도시)가 내부에 일체화되어 장착된다. The wafer mounting base 40 is provided with a
본 실시예에서는 상기 웨이퍼 재치대(40)에 교류형 고전압 펄스가 인가된다. 여기에서 '교류형 고전압 펄스'라 함은 도 2b에 도시된 바와 같이, 플러스(Vo) 값과 마이너스(-V) 값의 일정한 진폭을 가지면서 왕복하는 고전압 펄스를 말한다. 본 실시예에서는 상기 웨이퍼 재치대(40)에 고전압 펄스 공급부(50)를 연결시켜 교류형 고전압 펄스를 인가한다. 이 고전압 펄스 공급부(50)는 도 2a에 도시된 바와 같은 일반적인 음의 고전압 펄스에서 레퍼런스값을 챔버 그라운드 대비해서 일정한 값(Vo) 만큼 높이는 방식을 통하여 도 2b에 도시된 바와 같은 교류형 고전압 펄스를 발생시키는 것이 바람직하다. In this embodiment, an alternating current high voltage pulse is applied to the wafer placement table 40. Here, the "AC high voltage pulse" refers to a high voltage pulse reciprocating with a constant amplitude of a positive (Vo) value and a negative (-V) value, as shown in FIG. 2B. In this embodiment, the high voltage
그리고 상기 진공챔버(10)에 플라즈마화할 가스를 공급하는 가스 공급부(60)가 더 마련된다. 이 가스 공급부(60)는, 플라즈마화하여 웨이퍼의 처리에 사용될 원료가스를 공급하는 구성요소이다.A
한편 본 실시예에서는 상기 웨이퍼 재치대(40)를 정전척으로 구성할 수도 있다. 이때 이 정전척은 세라믹으로 이루어져서 내플라즈마성이 강한 것이 바람직하며, 정전력에 의하여 웨이퍼를 강하게 밀착하여 웨이퍼의 냉각을 용이하게 하고 웨이퍼와 웨이퍼 재치대 사이의 이격 공간에서 아킹이 발생하는 것을 방지한다. In the present embodiment, the wafer mounting table 40 may be configured as an electrostatic chuck. At this time, the electrostatic chuck is preferably made of ceramic, which has a strong plasma resistance. The wafer is strongly adhered to the wafer by electrostatic power, thereby facilitating cooling the wafer, and preventing arcing from occurring in the space between the wafer and the wafer holder. .
그리고 본 실시예에서는 상기 웨이퍼 재치대(40)의 내부를 냉각제가 순환하도록 하여 상기 웨이퍼 재치대 및 웨이퍼를 냉각하는 냉각부(70)가 더 마련되는 것 이 바람직하다. 플라즈마를 이용하여 웨이퍼에 이온주입을 행하는 경우 웨이퍼의 온도가 100℃ 이상으로 상승하는 것이 일반적이므로 웨이퍼 상에 형성되어 있는 마스크 등을 보호하기 위하여 웨이퍼를 적절한 온도로 냉각할 필요가 있다. 따라서 본 실시예에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 재치대(40)의 내부에 냉각제가 순환될 수 있는 냉각제 순환 유로(72)를 형성시키고 이 냉각제 순환유로(72)에 냉각제를 순환시키는 순환 펌프(도면에 미도시)를 연결하여 간접적으로 웨이퍼의 온도를 조절하게 된다. In this embodiment, the coolant circulates inside the wafer placement table 40, and thus, the cooling
또한 더 나아가서는 상기 웨이퍼 재치대(40)와 웨이퍼(W) 사이의 이격 공간에 열전달 매체를 공급하여 웨이퍼의 냉각을 용이하게 하는 열전달 매체 공급부(도면에 미도시)가 더 마련되는 것이 바람직하다. 웨이퍼(W)와 웨이퍼 재치대(40) 사이에는 미시적인 관점에서 볼 때 점접촉 내지는 이격 공간이 존재하게 된다. 따라서 진공에 가까운 낮은 압력하에서 이온주입을 실시하는 본 실시예에의 플라즈마 이온주입장치(1)에서는 웨이퍼의 열을 효과적으로 전달해줄 수 있는 매개체가 없으므로 웨이퍼 재치대의 온도가 낮더라도 웨이퍼의 온도가 상승할 수 있는 가능성이 있다. 따라서 상기 웨이퍼와 웨이퍼 재치대 사이의 이격 공간에 헬륨 가스 등의 열 전달 매체를 일정한 압력으로 공급하여 웨이퍼의 원활한 냉각을 도모하는 것이다. In addition, it is preferable that a heat transfer medium supply unit (not shown) is further provided to supply the heat transfer medium to the space between the wafer placement table 40 and the wafer W to facilitate cooling of the wafer. Between the wafer W and the wafer mounting table 40, point contact or separation spaces exist from the microscopic point of view. Therefore, in the plasma
본 발명에 따르면, 웨이퍼 재치대를 절연체에 의하여 차폐하는 방법 또는 정전척으로 마련함으로써, 종래의 직류 펄스를 이용할 때 훼이퍼 재치대가 부식되던 문제점을 해결할 수 있다. 또한 웨이퍼를 웨이퍼 재치대에 밀착시켜 온도 조절이 가능하도록 하여 이온 에너지 조절 및 이온 밀도 조절을 용이하게 할 수 있는 장점이 있다. According to the present invention, it is possible to solve the problem that the wafer mounting table is corroded when using a conventional DC pulse by providing the wafer mounting table as a method of shielding with an insulator or an electrostatic chuck. In addition, the wafer is in close contact with the wafer mounting table to enable temperature control, and thus, there is an advantage of facilitating ion energy control and ion density control.
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