KR20100032089A - 이온주입장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이온주입장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 이온주입장치에 포함되는 웨이퍼 홀더는, 웨이퍼를 홀딩하는 고정척과, 웨이퍼를 내부에 포함하도록 고정척의 일면에 설치되며 웨이퍼 주변으로 이온화되어 부유하는 불순물을 포집하는 쉴드링과, 쉴드링의 외주연에 설치되는 홀더링으로 구성되는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명에 의하면 웨이퍼 홀더에 자성체를 가지고서 설치되는 쉴드링을 통해 각종 이온과 부유 중인 전자 등의 포집이 이루어짐으로서, 이온빔이 불순물의 방해 없이 웨이퍼에 균일하게 도달할 수 있으며, 이에 따라 고품질의 이미지 센서 제품의 제작을 위한 진공챔버 조건에서 각종 전자의 왕복 회전운동으로부터 자유롭게 하여 안정적인 공정을 유지시키며 제품을 최적화할 수 있는 효과가 있다.

이온주입장치, 이온빔, 불순물, 웨이퍼 홀더

Description

이온주입장치 및 그 방법{Ion injection apparatus and ion injection method using the same}

본 발명은 이온주입장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초박형 반도체 칩의 이미지 센서 포토 다이오드를 구현 하고자 하는 이온주입공정에서 이온이 웨이퍼에 도달할 때 주변의 각종 이온과 부유하는 전자 등을 간섭을 막고 이온이 균일하게 웨이퍼에 주입되도록 하는 이온주입장치 및 그 방법에 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 이온주입공정은 반도체소자의 제조 시 10E14∼10E18 원자/㎤ 범위에서 불순물 농도를 조절할 수 있으며, 이는 확산 등 다른 불순물 주입기술을 이용한 것 보다 농도조절이 용이하고 이온주입의 깊이를 정확히 할 수 있다는 이점 때문에 반도체소자의 집적도가 커짐에 따라 더욱 널리 사용되고 있다.

이온주입기술은 열확산기술과 함께 반도체장치의 제조를 위한 웨이퍼에 불순물을 도입하는 데 사용될 수 있는 기술이다. 최근, LSI의 고집적화, 고밀도화에 대응해서 더 정밀한 불순물도입의 제어, 재현성의 향상 및 처리 능력의 향상 등이 요구되고 있으며, 열확산 기술로는 실현이 불가능하거나, 매우 곤란한 저농도 불순물도입이나 절연막을 통한 도핑 등을 가능하게 하며, 특히 웨이퍼로 주입되는 이온의 수를 전류의 제어에 의하여, 그리고 이온의 주입되는 깊이는 가속전압의 제어에 의하여 임의로 조절할 수 있다는 점에서 매우 주목받고 있다.

이온주입을 위한 이온주입장치는 이온소스부, 질량분석기, 가속관, 이온편향계 및 이온주입실로 이루어지며, 전체가 고진공계로 이루어진다.

이온소스부의 아크 챔버에서 발생된 고에너지의 이온들은 매니퓰레이터(Manipulator)를 거치면서 하나의 빔을 이루고, 질량분석기(Analyzer)를 거치면서 소정의 이온들이 선택되고, 셋업 컵 어셈블리(Set up cup assembly)를 거치면서 이온빔의 커런트를 측정할 수 있도록 하고, 이온편향계를 거치면서 소정의 방향으로 편향되고, 디텍터(Detector)와 렌즈 마그네트(Lens magnet)를 경유하게 되고, 계속해서 가속관을 거치면서 가속되어 최종적으로 이온주입실 내에 위치하는 웨이퍼로 주사되어 웨이퍼내로 이온들이 주입되게 된다.

도 1은 종래의 일반적인 이온주입 장치를 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. 이온 발생 기(12)는 자체의 전력공급원과 진공펌프를 구비하여 투입된 불순물을 플라즈마를 형성시켜 이온화시킨다.

이온 발생기(12)로부터 발생된 양이온(i)은 적정한 전압을 인가함으로써 이온추출기(13)를 통하여 이온 발생기(12)로부터 발생된 양이온이 추출되어지며, 추출된 양이온은 이온 변환기(14)에서 마그네슘을 매개로 음이온으로 변환된다.

이렇게 음이온으로 변환된 불순물 이온은 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 획득하게 되며, 이어서 텐디트론 챔버(Tendetron Chamber)(20)를 거친 이온빔은 집속, 주사 및 전하 분류되어 웨이퍼 홀더(22)상에 위치한 웨이퍼(10)의 소정 부위에 주입된다. 웨이퍼 홀더(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 어퍼쳐(Aperture)(29)를 통과하여 웨이퍼 홀더(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 2차 전자가 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 웨이퍼 홀더(22)에 바이어스 전원에 의한 카운팅 전자가 공급되면 전류미터(25)는 도우즈량에 해당하는 전류값을 표시한다. 즉, 전류미터(25)는 웨이퍼(10)에 양이온이 주입되어 대전되는 양만큼 음전하가 웨이퍼 홀더(22)쪽으로 공급되는 전류의 양을 표시한다.

그러나, 이온주입장치를 통해 이온주입기술이 발전되고 있음에도 불구하고 LSI의 고집적화, 고밀도화에 대응하여 점점 더 정밀한 불순물의 제어가 요구되고 있다.

따라서, 최근에 반도체 제조업계에서는 반도체 제조공정 상에서 불순물 발생의 억제와 불순물에 의한 오염을 감소하기 위하여 각 단위공정마다 불순물 발생원인과 그 대처방안에 대하여 많은 노력과 시간을 투자하고 있다.

특히, 이온주입공정에서 웨이퍼의 불순물 오염은 반도체 소자의 전기적 특성에 큰 영향을 미치게 된다.

이와 같은 이온주입장치에서 발생된 불순물의 성분은 크게 기계적 불순물과 전기적 불순물로 분류될 수 있다. 기계적 불순물은 회전장치나 전송시스템의 움직임에 의한 열화가 주 오염원으로 작용한다.

기계적 불순물은 원인파악이 용이하고 발생시 불량의 정도가 아주 미약하게 나타나므로 전기적 불순물에 비하여 상대적으로 파티클 트레이스가 쉽고 기술적으로 고 난이도를 요하지 않는다.

그러나, 전기적 불순물은 이온빔의 정전기력에 의한 불순물의 활성화와 이온빔 주사시 금속면에 이온의 고속충돌에 의한 스퍼터링 불순물이 주 오염원으로 작용한다. 이러한 불순물은 웨이퍼 주변과 챔버 내의 각종 이온과 부유하는 전자 등이다.

이러한 전기적 파티클의 경우는 양이온에 의한 이온빔으로 인해서 정전기력의 힘은 작고 미세한 불순물을 활성화시키고, 스퍼터링을 유발함으로써 불량의 정도가 심각하고 기술적으로도 트레이스가 어려운 고기술력을 요한다.

따라서 본 발명은, 웨이퍼 홀더에 자성체를 가지는 쉴드링을 설치함으로써, 본격적인 이온주입공정 이전에 대전되어 강한 자성을 형성한 쉴드링을 통해 각종 전기적 이온과 부유 중인 전자 등의 포집이 이루어져서 이온빔이 불순물의 방해 없이 웨이퍼에 균일하게 도달할 수 있으며, 이에 따라 고품질의 이미지 센서 제품의 제작을 위한 진공챔버 조건에서 각종 전자의 왕복 회전운동으로부터 자유롭게 하여 안정적인 공정을 유지시키며 제품을 최적화할 수 있는 이온주입장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 이와 같은 이온주입장치의 웨이퍼 홀더를 통하여 이온주입방법을 제공하는데 본 발명의 또 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 웨이퍼를 재치하고 이온빔이 조사되는 영역 내에서 웨이퍼에 주입되도록 하는 웨이퍼 홀더를 포함하는 이온주입장치에 있어서, 웨이퍼 홀더는, 웨이퍼를 홀딩하는 고정척과, 웨이퍼를 내부에 포함하도록 고정척의 일면에 설치되며 웨이퍼 주변으로 이온화되어 부유하는 불순물을 포집하는 쉴드링과, 쉴드링의 외주연에 설치되는 홀더링으로 구성되는 이온주입장치를 제공한다.

그리고 바람직하게 쉴드링은, 대전을 통하여 자성을 가지며, 자성을 통하여 불순물을 포집하게 된다.

그리고 더욱 바람직하게 본 발명에서 웨이퍼 홀더의 쉴드링은, 웨이퍼가 복수개 배치되는 회전 웨이퍼 홀더 또는 싱글형 웨이퍼 홀더에 적용될 수 있다.

또한, 이온주입방법에 있어서, 웨이퍼 홀더에 구비된 쉴드링을 대전시켜서 자성체로 만들고 자성을 형성한 쉴드링을 통하여 웨이퍼 주변으로 이온화되어 부유하는 불순물을 우선적으로 제거하는 단계와, 불순물 제거 후 쉴드링의 자성을 해제시키고 이온주입공정이 실시되는 단계를 포함하는 이온주입방법을 제공한다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 이온주입장치 및 그 방법에 따르면, 웨이퍼 홀더에 자성체를 가지고서 설치되는 쉴드링을 통해 각종 이온과 부유 중인 전자 등의 포집이 이루어짐으로서, 이온빔이 불순물의 방해 없이 웨이퍼에 균일하게 도달할 수 있으며, 이에 따라 고품질의 이미지 센서 제품의 제작을 위한 진공챔버 조건에서 각종 전자의 왕복 회전운동으로부터 자유롭게 하여 안정적인 공정을 유지시키며 제품을 최적화할 수 있는 효과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러 므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이온주입장치에서 웨이퍼 홀더의 정면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 웨이퍼 홀더가 적용된 이온주입장치의 구성도이다.

도 2에 도시된 웨이퍼 홀더(100)는, 웨이퍼(10)를 재치하고 이온빔이 조사되는 영역 내에서 웨이퍼(10)에 주입되도록 하는 것으로서, 이온주입공정 이전에 웨이퍼 주변으로 이온화되어 부유하는 불순물을 포집하기 위한 쉴드링(104)이 포함된 것이다.

웨이퍼 홀더(100)는, 이송로봇(미도시)에 의해 로딩되는 웨이퍼(10)를 정전기력을 이용하여 홀딩하는 고정척(102)과, 이 고정척(102)의 일면으로 위치 고정된 웨이퍼(10)를 내주연에 포함하도록 설치되는 쉴드링(shield ring:104)과, 쉴드링(104)의 외주연에 설치되는 홀더링(106)으로 구성된다.

고정척(102)은 웨이퍼(10)가 위치되는 일면이 편평하며, 타면에는 구동장치가 설치되고, 웨이퍼(10)와 서로 다른 전극을 대전시킴으로써 웨이퍼(10)가 위치 고정될 수 있다.

그리고 쉴드링(104)은 웨이퍼(10)를 내주연에 포함할 수 있는 내경을 가지며, 웨이퍼(10)의 두께 보다 두껍게 형성되는 것이 바람직하다.

이러한 쉴드링(104)은 웨이퍼(10)에 대전되는 전극과 같은 전극이 대전되어 강한 자성체를 가지게 하며, 이 강한 자성체를 이용하여 이온주입공정 이전에 웨이 퍼(10) 주변으로 이온화되어 부유하는 불순물을 포집하게 된다.

여기서 도시된 웨이퍼 홀더(100)는, 싱글형 웨이퍼 홀더를 설명하였으나, 바람직하게 웨이퍼가 복수개 배치되는 회전 웨이퍼 홀더에도 적용될 수 있다.

이하, 이와 같이 구성된 웨이퍼 홀더가 적용된 이온주입장치의 작용 상태를 설명하면 다음과 같다.

도 3을 참고하여 설명하면, 먼저, 웨이퍼 홀더(100)에 미도시된 이송로봇을 통하여 웨이퍼(10)를 배치한다. 그리고 이온주입 공정이 실시되기 이전에 웨이퍼 홀더(100)에 구비된 쉴드링(104)을 대전시켜서 강한 자성체로 만들고, 이에 자성체를 가지게 된 쉴드링(104)은 챔버 내에서 웨이퍼(10) 주변으로 이온화되어 부유하는 불순물을 포집하게 된다.

기설정 시간 자성체를 가지는 쉴드링(104)으로 하여 포집이 완료되면, 쉴드링(104)의 자성을 해제시키고 본격적으로 이온주입공정이 실시된다.

여기서 이온주입공정을 좀 더 상세히 설명하면, 이온주입 되어질 불순물을 함유한 불순물공급원(도시되지 않음)으로 부터 가스 또는 고체 상태로 불순물이 이온 발생기(120)로 공급되면, 이온 발생기(120)는 자체의 전력공급원과 진공펌프를 구비하여 투입된 불순물을 플라즈마를 형성시켜 이온화시킨다.

이온 발생기(120)로부터 발생된 양이온은 적정한 전압을 인가함으로써 이온추출기(130)를 통하여 이온 발생기(120)로부터 발생된 양이온이 추출되어지며, 추출된 양이온은 이온 변환기(140)에서 마그네슘을 매개로 음이온으로 변환된다.

이렇게 음이온으로 변환된 불순물 이온은 자기장내에서 이온질량에 따라 굴 절반경이 다름을 이용한 이온 질량분석기(160)를 거쳐 이온 가속기(180)로 들어간다. 이온가속기(180)에는 자체의 전압공급원이 포함되어 투입된 불순물 음이온이 가속되면서 고에너지를 획득하게 되며, 이어서 텐디트론챔버(Tendetron Chamber)(200)를 거친 이온빔은 집속, 주사 및 전하 분류되어 웨이퍼 홀더(100)상에 위치한 웨이퍼(10)의 소정 부위에 주입된다. 이 때, 사전에 쉴드링(104)을 통하여 불순물이 제거된 상태이므로 이온빔이 이물질에 의한 방해 없이 균일하게 웨이퍼(10)까지 도달되어 주입이 이루어질 수 있다.

그리고 웨이퍼 홀더(100)에는 도우즈(DOES)량을 측정하기 위한 패러데이컵(240)이 구성되며, 패러데이컵(240)에 이온주입에 따른 이차전자 억제를 위한 역전압이 인가되며, 주입되는 도우즈량을 빔전류로 측정하기 위한 전류미터(250)가 구성되어 있다.

미설명부호 280은 그라운드실드 이고, 290는 어퍼쳐(Aperture)이며, 310은 바이어스 플레이트, 300은 바이어스전원이다.

그러므로, 본 발명에 따르면, 웨이퍼 홀더(100)에 설치되는 자성체의 쉴드링(104)을 통해 각종 이온과 부유 중인 전자 등의 포집이 이루어짐으로서, 이온빔이 불순물의 방해 없이 웨이퍼에 균일하게 도달할 수 있으며, 이에 따라 고품질의 이미지 센서 제품의 제작을 위한 진공챔버 조건에서 각종 전자의 왕복 회전운동으로부터 자유롭게 하여 안정적인 공정을 유지시키며 제품을 최적화할 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 이온주입장치 및 그 방법은 하나의 바람직한 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이 하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.

도 1은 종래의 일반적인 이온주입장치를 나타내는 구성도이고,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이온주입장치에서 웨이퍼 홀더의 정면도이고,

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 웨이퍼 홀더가 적용된 이온주입장치의 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 웨이퍼 홀더 102 : 고정척

104 : 쉴드링 106 : 홀더링

Claims (4)

1. 웨이퍼를 재치하고 이온빔이 조사되는 영역 내에서 상기 웨이퍼에 주입되도록 하는 웨이퍼 홀더를 포함하는 이온주입장치에 있어서,

   상기 웨이퍼 홀더는,

   상기 웨이퍼를 홀딩하는 고정척과,

   상기 웨이퍼를 내부에 포함하도록 상기 고정척의 일면에 설치되며 상기 웨이퍼 주변으로 이온화되어 부유하는 불순물을 포집하는 쉴드링과,

   상기 쉴드링의 외주연에 설치되는 홀더링

   으로 구성되는 이온주입장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 쉴드링은,

   대전을 통하여 자성을 가지며, 자성을 통하여 불순물을 포집하게 되는 이온주입장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 웨이퍼 홀더의 쉴드링은,

   상기 웨이퍼가 복수개 배치되는 회전 웨이퍼 홀더 또는 싱글형 웨이퍼 홀더에 적용될 수 있는 이온주입장치.
4. 이온주입방법에 있어서,

   웨이퍼 홀더에 구비된 쉴드링을 대전시켜서 자성체로 만들고 상기 자성을 형성한 쉴드링을 통하여 웨이퍼 주변으로 이온화되어 부유하는 불순물을 우선적으로 제거하는 단계와,

   상기 불순물 제거 후 상기 쉴드링의 자성을 해제시키고 이온주입공정이 실시되는 단계

   를 포함하는 이온주입방법.

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