KR20080051219A - 이온주입장치 및 그 이온주입장치의 인슐레이터 - Google Patents

이온주입장치 및 그 이온주입장치의 인슐레이터 Download PDF

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KR20080051219A
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윤진희
이민성
임창근
조홍래
강병재
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Abstract

본 발명은 이온주입시스템에서 이온주입 시 이온빔에 의한 이물질이 인슐레이터 표면에 데포됨으로 인한 절연파괴를 방지하는 기술이다.
이온주입장치에서 프로세스챔버와 빔조절 어댑터 간에 절연파괴 발생을 지연시켜 크리닝주기를 연장하므로 생산성을 높이기 위한 본 발명에 따른 이온주입장치는, 이온주입반응가스와 전원을 공급받아 이온빔을 생성하여 방출하는 빔라인챔버와, 상기 빔라인챔버로부터 방출된 이온빔을 원하는 최종 에너지로 맞추도록 조절하는 빔조절 어댑터와, 상기 빔조절 어댑터로부터 조절된 이온빔을 이용하여 웨이퍼에 이온주입을 진행하는 프로세스챔버와, 이온빔을 프로세스챔버로 제공하기 위한 개구부가 형성되고, 상기 개구부가 형성된 내측표면에 일정폭을 갖는 요홈이 형성되어 상기 프로세스챔버와 빔조절 어댑터 사이를 절연시키는 인슐레이터와, 상기 프로세스챔버와 빔조절 어댑터 간에 고전압을 공급하기 위한 전원부를 포함한다.
프로세스챔버와 빔조절 어댑터 간을 절연시키는 인슐레이터의 이온빔이 통과하는 개구부의 내측표면 중앙부위에 요홈을 형성하여 이온빔에 의한 이물질이 요홈으로 매립되도록 하여 인슐레이터의 절연파괴 현상을 지연시킴으로서, 인슐레이터 크리닝주기를 연장시켜 설비가동율을 높여 생산성을 향상시킨다.
Figure P1020060121917
이온주입, 인슐레이터, 고전압절연, 절연불량

Description

이온주입장치 및 그 이온주입장치의 인슐레이터{IMPLANTATION APPRATUS AND INSULATOR OF ION IMPLANTATION APPRATUS}
도 1은 종래의 일반적인 이온주입장치를 나타내는 개략도
도 2는 종래의 이온주입설비의 프로세스챔버와 빔라인챔버간의 연결상태의 조립사시도
도 3은 도 2의 A-A' 단면도
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이온주입설비의 프로세스챔버와 빔라인챔버간의 연결상태의 조립사시도
도 5는 도 4의 인슐레이터(104)의 절개사시도이며,
도 6은 도 4의 A-A' 단면도
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100: 빔라인챔버 102: 빔조절 어댑터
104: 인슐레이터 106: 프로세스챔버
108: 개구부 110: 전원부
112: 요홈 114: 이물질
본 발명은 이온주입장치 및 그 이온주입장치의 인슐레이터에 관한 것으로, 특히 이온주입시스템에서 이온주입 시 이온빔에 의한 이물질이 인슐레이터 표면에 데포됨으로 인한 절연파괴를 방지하는 이온주입장치 및 그 이온주입장치의 인슐레이터에 관한 것이다.
일반적으로 이온주입 공정은 순수 실리콘(Si) 웨이퍼에 3개의 가전자를 가지고 있는 P형 불순물(예, 붕소, 알루미늄, 인듐)과 5개의 가전자를 가지고 N형 불순물(예:안티몬, 인, 비소) 등을 플라즈마 이온빔상태로 만든 후 반도체 결정속에 침투시켜 필요한 전도형 및 비저항의 소자를 얻는 공정을 말한다.
이러한 이온주입공정을 수행하기 위한 이온주입장치가 미국특허 5,475,618에 개시되어 있다. 상기 이온주입장치는 반도체소자를 제조할 시 10E14∼10E18 원자/㎤ 범위에서 불순물 농도를 조절할 수 있으며, 이는 확산등 다른 불순물 주입기술을 이용한 것 보다 농도조절이 용이하며 이온주입의 깊이를 정확히 할 수 있다는 이점 때문에 반도체소자의 집적도가 커짐에 따라 더욱 널리 사용되고 있다.
이온주입이란 원자 이온이 목표물의 표면을 뚫고 들어갈 만큼 큰 에너지를 갖게 하여 목표물 속으로 주입하는 것을 말하고, 이온주입장치는 1971년 이전까지는 단지 연구용 장치에 불과하였으나, 그 이후 집적회로 제작에 흔히 이용되고 있 으며, 최근에는 내부설계, 외관, 성능 등 여러 가지 면에서 많은 변화가 있었다.
이온주입장치는 이온소스부(Ion Source Section), 빔라인부(Beam Line Section), 프로세스챔버부(Process Chamber Section)로 구성되며, 이온소스부는 증발기(Vaporizer, Gas Box), 아크챔버(Arc Chamber), 추출기(Extraction)로 구성된다.
이온소스부는 분자가 이온화되는 장소이며, 아크챔버는 필라멘트에서 자유전자를 형성하고, 형성된 자유전자는 주입된 가스와 충돌하여 이온을 형성한다. 종래의 아크챔버 구성요소를 살펴보면, 생성된 양이온이 방출되는 통로인 탑플레이트, 플라즈마 형성공간인 이온화 반응실, 전류를 통해 전자를 발생시키는 일자형의 필라멘트, 이온화 반응실과 필라멘트간의 절연 역할을 하는 필라멘트 절연체, 필라멘트를 고정시키고 전류의 통로가 되는 필라멘트 클램프를 포함한다. 중앙의 일자형 필라멘트를 본체가 이격되도록 둘러싸고, 본체의 양 측면에 필라멘트가 외부로 돌출되며, 필라멘트와 본체가 맞닿는 부분에는 절연체를 두어 절연역할을 한다. 그러나, 텅스텐선이 사용되는 일자형의 필라멘트는 방출되는 전자가 균일한 성능을 갖지 못하므로 상대적으로 높은 온도를 갖는 부분이 끊어질 우려가 있고, 공기중의 산소와 접할 경우에도 순간적으로 끊어질 우려가 있어 주위를 요한다. 필라멘트가 끊어졌을 경우에는 바로 교체해주어야 정상적인 이온화 반응이 일어나며, 교체에 따른 불필요한 시간과 재가열 시간이 소모된다. 본체는 분리되지 않는 일체형으로, 일부분이 소모되었을 경우에도 전체를 교체하여야 하며, 적절한 시기에 교체하지 않으면 상당히 많은 오염이 발생하여 청정하지 못한 이온화를 실행하게 된다.
도 1은 종래의 일반적인 이온주입장치를 나타내는 개략도이다.
도 1을 참조하여 반도체 웨이퍼에 불순물 이온이 주입되는 과정을 구체적으로 살펴보면, 이온주입 되어질 불순물을 함유한 불순물공급원(도시되지 않음)으로 부터 가스 또는 고체 상태로 불순물이 이온 발생기(12)로 공급된다. 상기 이온 발생기(12)는 자체의 전력공급원과 진공펌프를 구비하여 투입된 불순물을 플라즈마를 형성시켜 이온화시킨다.
상기 이온 발생기(12)로부터 발생된 양이온(i)은 적정한 전압을 인가함으로써 이온추출기(13)를 통하여 이온발생기(12)로부터 발생된 양이온이 추출되어지며, 추출된 양이온은 이온 변환기(14)에서 마그네슘을 매개로 음이온으로 변환된다.
이렇게 음이온으로 변환된 불순물이온은 자기장내에서 이온질량에 따라 굴절반경이 다름을 이용한 이온 질량분석기(16)를 거쳐 이온 가속기(18)로 들어간다. 이온가속기(18)에는 자체의 전압공급원이 포함되어 투입된 불순물 음이온이 가속되면서 고에너지를 획득하게되며, 이어서 텐디트론챔버(Tendetron Chamber)(20)를 거친 이온빔은 집속, 주사 및 전하 분류되어 디스크(Disk)(22)상에 위치한 웨이퍼(10)의 소정 부위에 주입된다. 상기 디스크(22)에는 도우즈(DOES)량을 측정하기 위한 패러데이컵(24)이 구성되며, 패러데이컵(24)에 이온주입에 따른 이차전자 억제를 위한 역전압이 인가되며, 주입되는 도우즈량을 빔전류로 측정하기 위한 전류미터(25)가 구성되어 있다.
상기와 같은 종래의 이온주입장치의 도우즈량을 측정하는 동작을 보면, 텐디트론쳄버(20)로부터 주사된 +형 이온빔 입자는 그라운드실드(28)에 형성된 어퍼 쳐(Aperture)(29)를 통과하여 디스크(22)에 얼라인된 웨이퍼(10)의 표면과 충돌한다. 이때 이온입자는 웨이퍼(10)의 내부에 소정 깊이로 주입되고 웨이퍼(10)는 +극성을 이룬다. 그리고 그라운드에서는 상술한 이온주입에 대응하여 바이어스 플레이트(31)로 바이어스전원(30)인 -600V를 인가한다. 이때 주변에 소정의 전기장이 형성되고, 이 전기장은 튕겨져 나오는 -형 이온입자인 이차전자에 소정의 반발력을 가하여 2차전자가 웨이퍼(10)의 본래자리로 되돌아가도록 하여 웨이퍼(10)를 중성화시키고, 이에 의해 +극성을 이루던 웨이퍼(10)는 전기적인 안정성을 확보한다. 이렇게 하여 +형 이온빔입자가 웨이퍼(10)에 주입될 때 디스크(22)에 바이어스 전원에 의한 카운팅전자가 공급되면 전류미터(25)는 도우즈량에 해당하는 전류값을 표시한다. 즉, 전류미터(25)는 웨이퍼(10)에 양이온이 주입되어 대전되는 양만큼 음전하가 디스크(22)쪽으로 공급되는 전류의 양을 표시한다.
도 2는 종래의 이온주입설비의 프로세스챔버와 빔라인챔버간의 연결상태의 조립사시도이고,
도 3은 도 2의 A-A' 단면도이다.
이온주입반응가스와 전원을 공급받아 이온빔을 생성하여 방출하는 빔라인챔버(50)와,
상기 빔라인챔버(50)로부터 방출된 이온빔을 원하는 최종 에너지로 맞추도록 조절하는 빔조절 어댑터(52)와,
상기 빔조절 어댑터(52)로부터 조절된 이온빔을 이용하여 웨이퍼에 이온주입을 진행하는 프로세스챔버(54)와,
상기 프로세스챔버(54)와 빔조절 어댑터(52) 사이를 절연시키는 인슐레이터(56)로 구성되어 있다.
빔라인챔버(50)에는 빔조절 어댑터(52)가 부착되어 있다. 그리고 프로세스챔버(54)의 외벽에는 인슐레이터(56)가 부착되어 있다. 상기 프로세스챔버(54)와 인슐레이터(56)에는 각각 이온빔을 통과시키기 위한 개구부(58)가 형성되어 있다. 상기 빔조절 어댑터(52)는 알루미늄과 같은 금속재질로 형성되어 일측이 상기 인슐레이터(56)의 외측둘레의 일부가 삽입되어 결합된다. 빔조절 어댑터(52)는 상기 인슐레이터(56)와 상기 빔라인챔버(50)에 결합되는 부분이 이온빔이 통과되도록 개방되어 있다.
빔라인챔버(50)에서는 낮은 에너지에서 빔전류 손실을 적게하고 생산성을 향상시키기 위해 높은 에너지로 이온빔을 추출한다. 이때 프로세스챔버(54)와 빔조절 어댑터(52) 간에는 0~30KV의 전압이 인가된다. 상기 프로세스챔버(54)에는 -전극이 빔조절 어댑터(52)에는 +전극이 형성되며, 역방향의 고전압이 인가되므로 인하여 이온빔을 감속시켜 최종적으로 원하는 이온빔이 프로세스챔버(54)로 인가되어 디스크에 장착된 웨이퍼로 이온주입하게 된다. 이때 인슐레이터(52)는 프로세스챔버(54)와 빔조절 어댑터(52) 간에 절연을 하게 되는데, 이렇게 이온주입을 하다보면 인슐레이터(52)의 개구부(58)의 내측 표면에 이온빔에 의한 이물질이 데포되어 절연이 파괴될 수 있다.
상기와 같은 종래의 이온주입설비의 인슐레이터(52)의 개구부(58)의 표면이 평면으로 형성되어 있어 이온빔에 의한 이물질의 데포로 인해 프로세스챔버(54)와 빔조절 어댑터(52) 간에 절연파괴가 발생하면 설비를 정지시키고 크리닝작을 하여야 하기 때문에 설비가동율이 저하되어 생산성이 떨어지는 문제가 있었다.
따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 이온주입장치에서 프로세스챔버와 빔조절 어댑터 간에 절연파괴 발생을 지연시켜 크리닝주기를 연장하므로 생산성을 높일 수 있는 이온주입장치 및 그 이온주입장치의 인슐레이터를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이온주입장치는, 이온주입반응가스와 전원을 공급받아 이온빔을 생성하여 방출하는 빔라인챔버와, 상기 빔라인챔버로부터 방출된 이온빔을 원하는 최종 에너지로 맞추도록 조절하는 빔조절 어댑터와, 상기 빔조절 어댑터로부터 조절된 이온빔을 이용하여 웨이퍼에 이온주입을 진행하는 프로세스챔버와, 이온빔을 프로세스챔버로 제공하기 위한 개구부가 형성되고, 상기 개구부가 형성된 내측표면에 일정폭을 갖는 요홈이 형성되어 상기 프로세스챔버와 빔조절 어댑터 사이를 절연시키는 인슐레이터와, 상기 프로세스챔버와 빔조절 어댑터 간에 고전압을 공급하기 위한 전원부를 포함함을 특징으로 한다.
상기 고전압은 0~30KV로 하는 것이 바람직하다.
상기 요홈은 이온주입시 이온빔에 의한 이물질이 상기 인슐레이터의 개구부 내부표면에 도포되는 시간을 연장시킴을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 적용되는 이온주입장치의 인슐레이터는, 이온빔을 프로세스챔버로 제공하기 위해 형성된 개구부와, 상기 프로세스챔버와 빔조절 어댑터 사이를 절연시키고 상기 개구부가 형성된 내측표면에 일정폭을 갖는 요홈을 형성함을 특징으로 한다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이온주입설비의 프로세스챔버와 빔라인챔버간의 연결상태의 조립사시도이고,
도 5는 도 4의 인슐레이터(104)의 절개사시도이며,
도 6은 도 4의 A-A' 단면도이다.
이온주입반응가스와 전원을 공급받아 이온빔을 생성하여 방출하는 빔라인챔버(100)와,
상기 빔라인챔버(100)로부터 방출된 이온빔을 원하는 최종 에너지로 맞추도록 조절하는 빔조절 어댑터(102)와,
상기 빔조절 어댑터(102)로부터 조절된 이온빔을 이용하여 웨이퍼에 이온주입을 진행하는 프로세스챔버(106)와,
상기 프로세스챔버(106)와 빔조절 어댑터(102) 사이를 절연시키는 인슐레이 터(104)와,
상기 프로세스챔버(106)와 빔조절 어댑터(102) 간에 고전압(예컨대 0~30KV)을 공급하기 위한 전원부(108)로 구성되어 있다.
상기 인슐레이터(106)는 이온빔을 프로세스챔버(106)로 제공하기 위한 개구부(108)가 형성되고, 그 개구부(108)가 형성된 내측표면에 일정폭을 갖는 요홈(112)이 형성되어 있다.
상술한 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예의 동작을 상세히 설명한다.
빔라인챔버(100)에는 빔조절 어댑터(102)가 부착되어 있다. 그리고 프로세스챔버(106)의 외벽에는 인슐레이터(104)가 부착되어 있다. 상기 프로세스챔버(106)와 인슐레이터(104)에는 각각 이온빔을 통과시키기 위한 개구부(108)가 형성되어 있다. 상기 빔조절 어댑터(102)는 알루미늄과 같은 금속재질로 형성되어 일측이 상기 인슐레이터(104)의 외측둘레의 일부가 삽입되어 결합된다. 빔조절 어댑터(102)는 상기 인슐레이터(104)와 상기 빔라인챔버(100)에 결합되는 부분이 이온빔이 통과되도록 개방되어 있다.
빔라인챔버(100)에서는 낮은 에너지에서 빔전류 손실을 적게하고 생산성을 향상시키기 위해 높은 에너지로 이온빔을 추출한다. 이때 프로세스챔버(106)와 빔조절 어댑터(52) 간에는 0~30KV의 전압이 인가된다. 상기 프로세스챔버(106)에는 -전극이 빔조절 어댑터(102)에는 +전극이 형성되며, 역방향의 고전압이 인가되므로 인하여 이온빔을 감속시켜 최종적으로 원하는 이온빔이 프로세스챔버(106)로 인가 되어 디스크에 장착된 웨이퍼로 이온주입하게 된다. 이때 인슐레이터(104)는 프로세스챔버(106)와 빔조절 어댑터(102) 간에 절연을 하게 되는데, 이렇게 이온주입을 하다보면 인슐레이터(104)의 개구부(108)의 내측 표면에 이온빔에 의한 이물질이 데포되어 절연이 파괴될 수 있다.
따라서 본 발명의 인슐레이터(104)는 개구부(108)가 형성된 내측표면 중앙에 일정폭을 갖는 요홈(112)이 형성되어 있어 이온주입 시 이물질(114)이 도 6과 같이 개구부(108)의 내측표면에 연장도포되지 않고 분리되어 절연파괴를 방지한다. 상기 인슐레이터(104)에 형성된 요홈(112)은 도 6과 같이 이물질(114)이 채워질 때까지 인슐레이터(104)의 절연이 파괴되지 않는 역할을 하게 되어 크리닝작업의 주기를 연장시킬 수 있다. 즉, 도 3에서 인슐레이터(52)의 개구부(58)의 내측표면이 이온빔에 의한 이물질(60)로 도포되면 프로세스챔버(54)와 빔라인챔버(52)간에 절연이 파괴된다. 그러나 본 발명에서는 인슐레이터(104)의 개구부(108)의 상, 하, 좌, 우 내부표면에 요홈(112)에 의해 이물질(114)이 도포되더라도 도 3과 같이 연장도포되지 않고 도 6과 같이 이물질(114)이 요홈(112)에 매립되어 요홈(112)내에 이물질(114)이 가득 채워질때까지 절연파괴가 발생하지 않아 크리닝주기를 연장시킬 수 있다. 상기 요홈(112)은 내측으로 더 넓은 영역을 갖는다.
상술한 바와 같이 본 발명은 프로세스챔버와 빔조절 어댑터 간을 절연시키는 인슐레이터의 이온빔이 통과하는 개구부의 내측표면 중앙부위에 요홈을 형성하여 이온빔에 의한 이물질이 요홈으로 매립되도록 하여 인슐레이터의 절연파괴 현상을 지연시킴으로서, 인슐레이터 크리닝주기를 연장시켜 설비가동율을 높여 생산성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (5)

  1. 이온주입장치에 있어서,
    이온주입반응가스와 전원을 공급받아 이온빔을 생성하여 방출하는 빔라인챔버와,
    상기 빔라인챔버로부터 방출된 이온빔을 원하는 최종 에너지로 맞추도록 조절하는 빔조절 어댑터와,
    상기 빔조절 어댑터로부터 조절된 이온빔을 이용하여 웨이퍼에 이온주입을 진행하는 프로세스챔버와,
    이온빔을 프로세스챔버로 제공하기 위한 개구부가 형성되고, 상기 개구부가 형성된 내측표면에 일정폭을 갖는 요홈이 형성되어 상기 프로세스챔버와 빔조절 어댑터 사이를 절연시키는 인슐레이터와,
    상기 프로세스챔버와 빔조절 어댑터 간에 고전압을 공급하기 위한 전원부를 포함함을 특징으로 하는 이온주입장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고전압은 0~30KV임을 특징으로 하는 이온주입장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 요홈은 이온주입시 이온빔에 의한 이물질이 상기 인슐레이터의 개구부 내부표면에 도포되는 시간을 연장시킴을 특징으로 하는 이온주입장치.
  4. 이온주입장치의 인슐레이터에 있어서,
    이온빔을 프로세스챔버로 제공하기 위해 형성된 개구부와,
    상기 프로세스챔버와 빔조절 어댑터 사이를 절연시키고 상기 개구부가 형성된 내측표면에 일정폭을 갖는 요홈을 형성함을 특징으로 하는 이온주입장치의 인슐레이터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 요홈은 이온주입시 이온빔에 의한 이물질이 상기 개구부 내부표면에 도포되는 시간을 연장시킴을 특징으로 하는 이온주입장치의 인슐레이터.
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