KR20220006345A - 이온 소스 헤드 및 이를 포함하는 이온 주입 장치 - Google Patents

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KR20220006345A
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이호준
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 이온 소스 헤드는 이온화 공간을 제공하며, 높이를 기준으로 하부 영역, 중심 영역 및 상부 영역으로 구분된 반응 챔버; 및 상기 반응 챔버 외곽을 권취하도록 구성된 코일을 포함하며, 상기 코일은 상기 반응 챔버의 상기 하부 영역을 권취하는 제1코일부; 상기 반응 챔버의 상기 중심 영역을 권취하는 제2코일부; 및 상기 반응 챔버의 상기 상부 영역을 권취하는 제3코일부를 포함하며, 상기 제1 및 제3 코일부는 상기 반응 챔버의 외주를 나선 형태로 권취하고, 상기 제2코일부는 상기 제1 및 제3코일부를 연결하면서, 상기 제1 및 제3코일부의 권취 방향에 대해 사선을 이루는 형태로 권취될 수 있다.

Description

이온 소스 헤드 및 이를 포함하는 이온 주입 장치{ION SOURCE HEAD AND ION IMPLANTATION APPARATUS INCLUDING THE SAME}
본 발명은 반도체 제조 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 고진공, 저유량에서 사용이 가능한 유도 결합형 플라즈마를 생성하는 이온 소스 헤드 및 이를 포함하는 이온 주입 장치에 관한 것이다.
반도체 재료에서의 가장 중요한 특성 중 하나인 전기 전도율은 반도체 재료에 불순물을 첨가함으로써 조절된다. 반도체에 불순물을 첨가하는 방법에는 확산(diffusion)에 의한 방법과 이온 주입(ion implantation)에 의한 방법이 있다.
이중 이온 주입 방법은 도핑(doping)시키고자 하는 불순물을 이온화시킨 후 가속시켜 높은 운동 에너지를 갖는 불순물 이온으로 만들어 웨이퍼 표면에 강제 주입시키는 기술이다. 이러한 이온 주입 방법은 열 확산 방법에 비해 수평 방향으로의 입자 이동(예를 들어, 확산)이 거의 없어 단위 셀 집적도 향상에 크게 유리하므로, 현재 고집적화된 반도체 제조의 불순물 주입 방식으로 널리 이용되고 있다.
현재 이온 주입 장치는 적재 적소에 정확한 양의 이온을 주입할 수 있고, 이온 주입되는 표면에 손상없이 이온 밀도를 증대시킬 수 있는 이온 주입 장치가 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 이온 주입 효율을 개선할 수 있는 이온 소스 헤드 및 이를 포함하는 이온 주입 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 이온 소스 헤드는 이온화 공간을 제공하며, 높이를 기준으로 하부 영역, 중심 영역 및 상부 영역으로 구분된 반응 챔버; 및 상기 반응 챔버 외곽을 권취하도록 구성된 코일을 포함하며, 상기 코일은 상기 반응 챔버의 상기 하부 영역을 권취하는 제1코일부; 상기 반응 챔버의 상기 중심 영역을 권취하는 제2코일부; 및 상기 반응 챔버의 상기 상부 영역을 권취하는 제3코일부를 포함하며, 상기 제1 및 제3 코일부는 상기 반응 챔버의 외주를 나선 형태로 권취하고, 상기 제2코일부는 상기 제1 및 제3코일부를 연결하면서, 상기 제1 및 제3코일부의 권취 방향에 대해 사선을 이루는 형태로 권취될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이온 주입 장치는 반응 챔버의 높이 방향 및 상기 반응 챔버의 높이 방향에 대해 사선 방향의 전자기력을 유발하도록 권취된 코일을 포함하는 이온 소스 헤드; 상기 이온 소스 헤드로부터 제공된 플라즈마를 전송하는 빔 전송부; 및 상기 빔 전송부를 통해 유도된 플라즈마를 대상물에 주입시키는 주입 처리실을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 반응 챔버의 외곽 일부에 반응 챔버의 직경(또는 높이)에 대해 사선을 이루는 형태로 코일을 권취한다. 이에 따라, 반응 챔버 내 전자기력이 사선형 코일과 직교하는 방향으로 발생되어, 이온 가속 거리를 종래 대비 감소시킴으로써, 고진공, 저유량에서도 플라즈마 발생 효율을 크게 개선할 수 있다.
이온 가속 거리의 감소에 따라 이온 부산물의 발생 역시 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이온 주입 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이온 소스 헤드의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이온 소스 헤드의 사시도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
후술하는 본 발명의 실시예는 반도체 제조 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 유도 결합형 플라즈마를 생성하는 이온 주입 장치의 이온 소스 헤드에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이온 주입 장치의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 이온 주입 장치(10)는 가스 공급부(100), 이온 소스 헤드(200), 빔 전송부(300), 주입 처리실(400) 및 컨트롤러(500)를 포함할 수 있다.
가스 공급부(100)는 이온화시킬 소스 가스를 이온 소스 헤드(200)에 공급할 수 있다.
이온 소스 헤드(200)는 외부로부터 소스 가스를 제공받고, 공급된 소스 가스를 이온화시켜 플라즈마를 생성할 수 있다. 이온 소스 헤드(200)는 고주파(RF) 전력을 인가 받아 형성된 유도 자장을 이용하여 공급된 소스 가스를 이온화할 수 있다. 이와 같은 방법으로 생성된 플라즈마를 유도 결합형 플라즈마(Inductively Coupled Plasma, ICP) 라 할 수 있다. 본 실시 예에 의한 이온 소스 헤드(200)의 구체적인 구성 및 동작은 이후 도 2를 참조하여 상세히 설명할 것이다.
빔 전송부(300)는 이온 소스 헤드(200)에서 생성된 플라즈마를 구성하는 이온 중 주입에 필요한 기 설정된 이온만 선별하고 가속하여 수송하도록 구성될 수 있다.
주입 처리실(400)은 이온을 주입할 대상물, 예를 들어, 반도체 기판이 로딩될 수 있다. 상기 주입 처리실(400)은 빔 전송부(300)를 통해 유도된 이온빔이 대상물에 주입되는 공간일 수 있다. 주입 처리실(400)은 적어도 하나의 대상물을 지지하기 위한 지지부(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 상기 지지부는 회전 및/또는 선형 이동이 가능하다. 이에 따라, 상기 지지부의 구동에 의해 상기 대상물에 상기 이온들이 균일하게 고속으로 주입될 수 있다.
컨트롤러(500)는 이온 주입 장치(10)의 동작 전반을 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이온 소스 헤드(200)의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예의 이온 소스 헤드(200)는 반응 챔버(210), 슬릿(220), 코일(230) 및 전원 공급장치(240)을 포함할 수 있다.
이온 소스 헤드(200)는 가스 공급부(100)로부터 소스 가스를 공급받는다. 소스 가스는 가스 공급부(100)와 연결된 가스 공급 라인(L)을 통해 상기 이온 소스 헤드(200)에 제공될 수 있다. 공급된 소스 가스는 상기 이온 소스 헤드(200)내에서 플라즈마 상태로 이온화될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 이온 소스 헤드(200)는 예를 들어, 코일(230)을 통해 고주파(RF) 전력을 인가 받을 수 있다. 이에 따라, 이온 소스 헤드(200)내에 유도 자장이 형성되어, 상기 소스 가스가 이온화될 수 있다.
반응 챔버(210)는 외부로부터 공급된 소스 가스를 이온화시키는 공간을 갖는다. 반응 챔버(210)는 생성된 플라즈마를 반도체 기판상에 제공할 수 있다. 반응 챔버(210)의 형태는 파이프와 같은 원통형일 수 있으며, 산화알루미늄(Al2O3)과 같은 세라믹으로 이루어질 수 있다. 하지만, 반응 챔버(210)의 형태와 재료가 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
가스 공급부(100)는 상기 반응 챔버(210)의 일측에 위치된 가스 공급 라인(L)을 통해 연결될 수 있고, 슬릿(220)은 상기 반응 챔버(210)의 타측에 위치될 수 있다.
슬릿(220)은 반응 챔버(210)에 탈착 가능하게 설치될 수 있다. 반응 챔버(210) 내에서 생성된 플라즈마 이온은 상기 슬릿(220)을 통해 선별되어 상기 빔 전송부(300)로 방출될 수 있다. 슬릿(220)은 예를 들어 텅스텐 등의 재료로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
코일(230)은 반응 챔버(210)의 외곽에 권취될 수 있다. 상기 코일(230)은 상술한 바와 같이, 반응 챔버(210) 내로 공급되는 소스 가스를 이온화시키기 위한 유도 자장을 형성할 수 있다. 이와 같은 코일(230)은 자장을 형성할 수 있도록 구리(Cu), 은(Ag) 또는 은으로 피복된 구리로 구성될 수 있다.
코일(230)은 예를 들어, 1/4인치(inch)의 간격을 가지고 반응 챔버(210)의 외곽을 따라 단선 없이 권취될 수 있다. 코일(230)의 권취 간격은 반응 챔버(210)의 높이나 코일(230)의 재질 등에 의해 변경될 수 있다.
본 실시예의 코일(230)은 제1코일부(231), 제2코일부(232) 및 제3코일부(233)로 구분될 수 있다.
상기 제1코일부(231)는 가스 공급부(100)와 인접하는 반응 챔버(210)의 하부 영역을 권취할 수 있다. 여기서, 상기 반응 챔버(210)의 하부 영역이라 함은 반응 챔버(210)의 바닥으로부터 전체 높이의 5 내지 10%에 해당하는 높이까지의 영역일 수 있다. 제1코일부(231)는 반응 챔버(210)의 원주 방향을 따라 권취될 수 있다. 상기 반응 챔버(210)의 하부 영역은 상기 소스 가스가 공급되는 가스 공급부(100)와 연결되는 부분으로, 상대적으로 고압을 유지할 수 있으며, 플라즈마를 점화시키는 발화부(도시되지 않음)에 해당할 수 있다.
상기 제2코일부(232)는 상기 제1코일부(231)와 제3코일부(233)을 연결하며, 상기 반응 챔버(210)의 높이 및 직경 방향에 대해 사선 방향을 따라 연장될 수 있다. 제2코일부(232)는 상기 반응 챔버(210)의 하부 영역과 상부 영역 사이의 중심 영역에 위치될 수 있다. 보다 구체적으로 제2코일부(232)는 반응 챔버(210)의 바닥면을 기준으로 30도 내지 60°의 사선 방향으로 권취될 수 있다. 제2코일부(232)가 권취되는 각도는 반응 챔버(210)의 높이에 따라 달라질 수 있다. 상기 제2코일부(232)가 형성되는 중심 영역은 반응 챔버(210)의 바닥면으로부터 전체 높이의 10 에서 70%에 해당하는 높이의 영역일 수 있다.
상기 제3코일부(233)는 상기 슬릿(220)과 인접하는 반응 챔버(210)의 상부 영역을 권취할 수 있다. 제3코일부(233)는 상기 제1코일부(231)와 마찬가지로 반응 챔버(210)의 원주 방향을 따라 권취될 수 있다. 상기 제3코일부(233)는 반응 챔버(210)의 바닥면으로부터 전체 높이의 70 에서 90%에 해당하는 높이로부터 상기 반응 챔버(210)의 천정까지의 영역일 수 있다.
본 발명의 실시 예로 코일(230)의 제1코일부(231)는 반응 챔버(210)의 원주 방향으로 1-2턴(turn) 권취되고, 제2코일부(232)는 사선 방향으로 2-3턴 권취되며, 제3코일부(233)는 반응 챔버(210)의 원주 방향으로 3-5턴 권취될 수 있다. 반응 챔버영역별로 코일(230)이 권취되는 턴 수는 필요에 따라 달라질 수 있다.
본 실시 예에서, 반응 챔버(210)의 하부 영역과 상부 영역은 소스 가스가 공급되는 가스 공급부(100)와 이온화된 플라즈마가 배출되는 슬릿(220)의 위치에 따라 위치가 뒤바뀔 수 있다.
전원 공급장치(240)는 코일(230)의 양단에 연결되어, 코일(230)에 RF 전원을 인가할 수 있다. 전원 공급장치(240)에 의해 공급되는 고주파수 RF 전력이 코일(230)에 인가되어 유도 자장을 형성하여 플라즈마를 생성시킬 수 있다.
유도 결합형 플라즈마 발생 장치는 코일(230)에 인가되는 고주파 전원에 의하여 용량성 결합형 플라즈마(이하, E-mode)와 유도 결합형 플라즈마(이하, H-mode)가 혼재되어 발생될 수 있다.
E-mode 플라즈마는 코일(230)에 인가되는 고주파 전위와 플라즈마 전위간의 차이에 의해 발생되는 전기장에 의해 전자 가속이 일어나고, 이로부터 상기 E-mode 플라즈마가 발생될 수 있다. 한편, H-mode 플라즈마는 다음과 같은 방식으로 생성될 수 있다. 코일(230)에 흐르는 시전류 변화에 의해 상기 반응 챔버(210)내에 자장이 형성될 수 있다. 상기 자장에 의해 유도된 전기장에 의해 전자가 가속되어, H-mode 플라즈마를 생성할 수 있다. 일반적으로 유도 결합형 플라즈마 발생 장치는 E-mode로 플라즈마가 발생되고, H-모드로 변환하면서 고밀도 플라즈마가 발생된다.
이때, 상기 E-mode 플라즈마는 코일(230)의 고주파 전위, 즉 코일(230)에 의해 발생되는 전자기력에 의존할 수 있다. 일반적으로 코일(230)이 나선 형태로 감기는 경우, 페레데이 전자기 법칙에 따라, 반응 챔버(210)의 높이(또는 길이) 방향으로 전자기력이 발생된다. 이에 따라, 상기 전자들이 반응 챔버(210)의 높이 방향으로 가속될 수 있다. 그런데, 반응 챔버(210)는 직경에 비해 큰 높이를 가지므로, 가속 이온의 이동 거리 증가로 인해 이온 손실이 유발될 수 있고, 이것은 오염의 원인이 될 수 있다. 그러므로, 고밀도 플라즈마를 생성하기 위하여는 E-mode 플라즈마의 발생을 가급적 줄일 필요가 있다.
상술한 바와 같이 가급적 E-mode 플라즈마의 발생 가능 범위를 줄이기 위해, 본 실시 예의 코일(230)은 제1 내지 제3코일부(231~233)로 구분하여 구성할 수 있다. 즉, 나선형 구조로 권취된 제1 및 제3코일부(231,233) 사이를 제1 및 제3코일부(231,232)와 사선을 이루는 형태로 제2코일부(232)로 연결한다. 이에 따라, 반응 챔버(210)의 대부분을 차지하는 중심 영역에 사선 형태로 코일(230)이 권취되기 때문에, 반응 챔버(210)의 중심 영역에 상기 코일의 사선 방향과 수직을 이루는 다른 사선 방향으로 전자기력이 발생된다. 사선 방향의 전자기력선은 상기 반응 챔버(210)의 높이 보다 짧기 때문에, 가속 이온의 이동 거리를 줄일 수 있어, 입자 충돌 확률을 개선할 수 있다.
이를 통해 플라즈마 밀도가 증가되어, E-mode에서 H-mode로 모드 변이가 쉽게 발생할 수 있다. 결과적으로 E-mode 플라즈마의 비율을 줄이고 H-mode 동작을 유도함으로써 플라즈마 발생 효율을 상승시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이온 소스 헤드(200)의 사시도이다.
상기 도 2에 도시된 이온 소스 헤드(200)는 원통형 반응 챔버(210)로 구성되었으나, 여기에 한정되지 않고, 도 3에 도시된 바와 같이, 각기둥, 예를 들어 사각 기둥 형태로 반응 챔버(210)를 구성할 수 있다.
이와 같은 각 기둥 형태의 반응 챔버(210)에 코일(230)이 권취되는 경우, 반응 챔버(210)의 모서리 부분에서 권취된 코일(230)의 거리가 더 근접 배치되므로, 더 높은 밀도의 유도 자장을 형성될 수 있다. 그러므로, 플라즈마 발생 효율을 상승시킬 수 있다.
본 실시예에 따르면, 반응 챔버(210)의 외곽 일부에 반응 챔버(210)의 직경(또는 높이)에 대해 사선을 이루는 형태로 코일(230)을 권취한다. 이에 따라, 반응 챔버(210)내 전자기력이 사선형 코일(230)과 직교하는 방향으로 발생되어, 이온 가속 거리를 종래 대비 감소시킴으로써, 고진공, 저유량에서도 플라즈마 발생 효율을 크게 개선할 수 있다.
이온 가속 거리의 감소에 따라 이온 부산물의 발생 역시 감소시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 가스 공급부 200 : 이온 소스 헤드
210 : 반응 챔버 220 : 슬릿
230 : 코일 231 : 제1코일부
232 : 제2코일부 233 : 제3코일부
300 : 빔 전송부 400 : 주입처리실
500 : 컨트롤러

Claims (11)

  1. 이온화 공간을 제공하며, 높이를 기준으로 하부 영역, 중심 영역 및 상부 영역으로 구분된 반응 챔버; 및
    상기 반응 챔버 외곽을 권취하도록 구성된 코일을 포함하며, 상기 코일은 상기 반응 챔버의 상기 하부 영역을 권취하는 제1코일부;
    상기 반응 챔버의 상기 중심 영역을 권취하는 제2코일부;
    상기 반응 챔버의 상기 상부 영역을 권취하는 제3코일부를 포함하며,
    상기 제1 및 제3 코일부는 상기 반응 챔버의 외주를 나선 형태로 권취되고,
    상기 제2코일부는 상기 제1 및 제3코일부를 연결하면서, 상기 제1 및 제3코일부의 권취 방향에 대해 사선을 이루는 형태로 권취되는 이온 소스 헤드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제2코일부는 상기 제1및 제3코일부에 대해 30 내지 60°를 이루는 이온 소스 헤드.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 코일 양단에 전원을 제공하는 전원 공급장치를 더 포함하는 이온 소스 헤드.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 반응 챔버는 원통형 또는 각기둥 형태를 갖는 이온 소스 헤드.
  5. 반응 챔버의 높이 방향 및 상기 반응 챔버의 높이 방향에 대해 사선 방향의 전자기력을 유발하도록 권취된 코일을 포함하는 이온 소스 헤드;
    상기 이온 소스 헤드에서 생성된 플라즈마 이온을 전송하는 빔 전송부; 및
    상기 빔 전송부를 통해 제공된 플라즈마 이온을 대상물에 주입하는 공정을 수행하는 주입 처리실을 포함하는 이온 주입 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 이온 소스 헤드는 이온화 공간을 제공하며, 높이를 기준으로 하부 영역, 중심 영역 및 상부 영역으로 구분된 반응 챔버;
    상기 반응 챔버 외곽을 권취하도록 구성된 코일을 포함하며, 상기 코일은 상기 반응 챔버의 상기 하부 영역을 권취하는 제1코일부;
    상기 반응 챔버의 상기 중심 영역을 권취하는 제2코일부;및
    상기 반응 챔버의 상기 상부 영역을 권취하는 제3코일부를 포함하며,
    상기 제1 및 제3 코일부는 상기 반응 챔버의 외주를 나선 형태로 권취되고,
    상기 제2코일부는 상기 제1 및 제3코일부를 연결하면서, 상기 제1 및 제3코일부의 권취 방향에 대해 사선을 이루는 형태로 권취되는 이온 주입 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제2코일부는 상기 제1및 제3코일부에 대해 30 내지 60°를 이루는 이온 주입 장치.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 코일 양단에 전원을 제공하는 전원 공급장치를 더 포함하는 이온 주입 장치.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 반응 챔버는 원통형 또는 각기둥 형태를 갖는 이온 주입 장치.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 반응 챔버의 하부 영역의 외측에 위치되며 소스 가스를 제공하는 가스 공급부를 더 포함하는 이온 주입 장치.
  11. 제 6항에 있어서,
    상기 반응 챔버의 상부 영역 외측과 상기 빔 전송부 사이에 위치되며 상기 플라즈마 이온을 선별하도록 구성된 슬릿을 더 포함하는 이온 주입 장치.
KR1020200084193A 2020-07-08 2020-07-08 이온 소스 헤드 및 이를 포함하는 이온 주입 장치 KR20220006345A (ko)

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