KR950000870B1 - 이온 주입 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

이온 주입 방법 및 장치
도면은 본 발명을 포함하는 대표적인 이온 주입 장치의 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 이온 주입 장치 12 : 희석 가스 소오스
14 : 이온 소오스 16 : 제 1 전극
18 : 제 1 가속관 20 : 이온 분석기
22 : 자석 24 : 이온 선택 개구판
30 : 제 2 가속관 32 : 제 2 전극
34 : 정전 편향 수단 36 : 목표기판
볼 발명은 목표기판에 이온을 주입하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히, 반도체 웨이퍼내에 도우펜트(dopant) 불순물 종류의 실질상 균일하고 비교적 소량의 주입을 형성하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
오늘날 이온 주입은 고체상태의 반도체장치의 제조시 사용되는 이미 주지된 공정으로서, 예를들어 S.K.Ghandhi 및 John Wiley와 Sons, Inc.(뉴욕 1982)에 의한 "VLSI 제조 원리"란 제하의 책자를 참조하면 잘 알 수 있다. 이온 주입 공정분만 아니라 그것에 사용되는 장치에 대한 추가적인 상세한 설명은 H. Ryssel 및 H. Glawischnig, Editors, Springer-Verlag(뉴욕 1982)에 의한 "이온 주입 기법"에서 알 수 있다. 기본적으로, 상기 이온 주입 장치는 이온 소오스와, 소오스 이온을 분석하기 위한 수단과, 목표기판을 향해 이온을 가속화하기 위한 수단과, 기판 양단에 이온 비임을 주사하기 위한 수단을 포함한다. 이온 소오스에서는 주입될 도오펀트 종류가 고체, 액체 또는 기체 상태로 제공되어 이온화된다. 유사하게 하전된 이온들이 정전기적으로 추출되어 이온 분석기에 방사되는데, 여기서 상기 이온들은 자석에 의해 분리된 다음 특정 이온 종류의 비임을 산출한다. 이어서, 이온 분석기를 빠져나온 이온 비임은 다시 정전기적으로 가속된 다음 목표 기판을 향해 주사하는 시스템의 편향판 사이로 지향된다.
목표기판은 통상 전류 적분기라고 하는 전류측정 장치를 통해 접지로 연결되는데, 상기 전류 적분기는 비임 전류에 관한 변수를 측정한다. 안정된 형태로 주입 시스템을 동작시키기 위해서는, 이온 소오스가 어떤 최소 출력을 발생하는 것이 필요하다. 이러한 최소 출력은 통상의 비임 전류 최소치, 즉, 10-6암페어 정도에 해당한다. 다른 변수들도 동일한데, 이온 주입량은 목표물에서의 비임 전류에 직접 비례한다. 효과적인 소량의 주입도 마찬가지로 낮은 비임 전류를 필요로 한다. 그러나, 특정 반도체 제조공정에서의 특정 주입 단계, 예컨대 금속산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)제조시의 통상의 임계 전압 조정 주입 단계는 2.5×10-8암페어만큼 낮은 비임 전류를 필요로 하며, 이는 대략 1 내지 5×1010ions/㎠의 량을 산출한다. 따라서 이온화 소오스가 대략 10-6암페어의 비임 전류를 산출하기 때문에 목표물에서 2.5×10-8암페어를 얻기 위해 몇몇 비임 감쇠 수단이 필요하다.
비임 감쇠 수단은 통상 비임 통로내에 "가변 슬리트"개구를 포함하는 셔터의 형태를 취한다. 그러나, 이러한 가변 슬리트 셔터는 중대한 처리상의 문제점을 초래한다. 충돌 이온 비임은 셔터 물질의 스프터링 및 정전기 충전을 초래하며 또한 비임 왜곡 및 혼성에 기인하여 주입 불균일을 초래한다. 더군다나, 상당히 감쇠되는 비임은 매우 좁은 단면을 가져서 목표물상의 빔의 X-Y주사에 중대한 문제를 일으킬 수 있으며 균일한 제어 동작이 곤란하다. 소량의 이온 주입, 즉, 대략 1 내지 5×1010이하의 량에 대한 이온 주입의 수행과 관련된 문제점을 해결하기 위한 노력에 따라 본 발명이 완성되었다.
본 발명의 이온 주입 장치는 순서대로 서로 연결된 이온 소오스, 이온 분석기, 이온 가속 수단 및 이온 편향 수단을 포함하지만 이온 비임을 감쇠시키기 위한 수단으로서의 가변 슬리트 셔터를 사용하지는 않는다. 또, 제어 가능한 불활성 희석 가스 소오스가 상호 연결되어 이온 소오스에 의해 이온 분석기에 제공되는 이온 농도를 선택하기 위한 수단을 제공한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도면은 본 발명의 구성을 포함하는 이온 주입 장치에 대한 예시적 구성을 도시한 것이다. 이온 주입 장치(10)는 이하에서 상세히 설명하는 바와 같이 희석 가스 소오스(12)를 부가하고 비임 감쇄 셔터인 가변 슬리트를 배제, 즉 사용하지 않는 것을 제외하고는 설계상 실질적으로 종래의 것과 같다. 상기 장치(10)는 희석(dilent)가스 소오스(12)와 상호 연결된 것을 제외하고는 통상의 구성일 수 있는 이온 소오스(14)를 포함한다.
이온 소오스(14)는 도우펀트 물질 공급부와 이 도우펀트 물질을 이온화하기 위한 수단을 포함한다. 도우펀트의 조성물은 주입될 이온 종류에 따라 결정된다. 예를들면, 기상 붕소 트리플루오라이드(BF3)는 통상 붕소 주입을 위해 사용되고, 기상포스핀(PH3)은 인 주입을 위해 사용되며, 기상 아르신(AsH3)은 비소 주입을 위해 사용된다. 이온화 수단은 제 2 전기 전위를 갖는 실린더 및 자기 코일에 의해 에워싸여진 제 1 전기 전위를 갖는 필라멘트를 포함하는 통상의 "고열용 필라멘트"일 수도 있다. 동작시 필라멘트는 소오스 기체에 충돌하여 소오스 기체를 이온화하는 전자를 방출하도록 가열된다. 자기 코일의 적절한 조작에 의해 이온들이 나선형 궤적을 그리게 할 수 있고 이에 따라 소오스 기체의 부가적인 충돌 및 이온화를 발생시킨다.
본 발명의 구성에 있어서, 조절된 양의 불활성 희석 가스가희석 가스 소오스(12)로부터 이온 소오스(14)내로 도입되어 필라멘트를 에워싸는 도우펀트 소오스 가스와 물리적으로 혼합한다. 상기 희석 가스는 도우펀트 소오스 가스와 화학적으로 결합하지 않는 불활성 가스이고, 주입될 도우펀트 종류로부터 나중에 쉽사리 선택적으로 여과될 수 있다. 예를들면, 도우펀트 소오스 가스가 BF3일 경우 적합한 희석 가스는 질소(N2)이다. 또, 부가되어야 하는 희석 가스량은 요구되는 비임 감쇠도의 직접 함수이다. 예컨대, 만일 희석가스가 없는 통상의 동작중에 이온 소오스가 목표물에서 1×10-6암페어의 비임 전류를 발생하고 2.5×10-8암페어의 비임 전류와 동등한 주입량을 생성할 것이 요구되면, 그 비임은 40(1×0-6/2.5×10-8)의 계수만큼 감쇠도어야 한다. BF3도우펀트 가스와 N2희석제의 경우에는 이것이 2.5퍼센트의 BF3와 97.5퍼센트의 N2을 포함하는 혼합물에 의해 달성될 수 있다.
주입될 에스테르 이온 종류, 예컨대 붕소의 경우 B+는 제 1 가속관(18) 둘에의 제 1 전극(16)에 의해 이온소오스로부터 추출된다. 소망의 이온 종류 및 유사하게 하전된 모든 이온, 예컨대 희석 가스가 질소일 때의 N2+는 도면에 도시된 바와 같이 제 1 가속관(18)을 통해 가속된 다음 이온 분석기(20)내로 들어간다.
이온 분석기(20)는 통상의 구성이며, 기본적으로 하나 이상의 자석(22)과 이온 선택 개구판(24)을 포함한다. 이온 분석기(20)는 인입 이온 비임을 자기적으로 90°사행(bend)시키며, 이에 따라 이온 선택 개구판(24)상에 충돌하는 상이한 운동량을 가진 이온 스펙트럼을 생성한다. 이온 선택 개구판(24)은 이 개구판(24)에 충돌하는 이온 종류의 스펙트럼 중에서 특정 이온 종류를 통과시킬 수 있도록 선택적으로 이동될 수 있는 개구(26)를 포함한다. 따라서, 선택된 이온 종류(28)의 비임(28), 즉 이 예에서는 B+가 이온 분석기(20)를 빠져나온다. N2+이온은 이온 선택 개구판(24)의 위치에 의해 여과된다. 이어서, 비임(28)은 이온 분석기(20)로부터 고정된 거리에서 제 2 가속관(30)둘레에 위치하는 제 2 전극(32)에 인가된 전위에 의해 제 2 가속관(30)을 빠져나와 목표기판(36)상에 충돌하기전에 X-Y방식으로 주사된다.
목표기판(36)은 비임 전류를 측정하기 위한 수단인 전류 적분기(38)를 통해 접지에 연결된다.
주입되는 이온의 량(ions/cm2)은 관계식
Figure kpo00001
와 같이 비임 전류에 관련된다. 여기서, D는 주입량(ions/㎠), I는 비임전류( μA), t는 노출시간(초), A는 주사된 목표물 면적(㎠), Q는 주입된 종류에 대한 전하량, 그리고 e는 1.6×10-9쿨롱의 전기소량상수(電氣素量常數)를 각각 나타낸다.
또한, 이온 주입 공정들내에서 공통으로 사용되고, 통상 수천 도는 수백만 전자볼트로 측정되며, 이온 에너지로 지칭되는 제 2의 변수는 통상 수천 또는 수백만 볼트로 측정되며, 제 1 및 제 2 전극(16),(32)상의 누적 전위에 이온전하(Q)를 곱한 값과 동일하다는 것을 알 수 있다. 상기 이온 에너지는 목표기판내의 주입깊이를 결정한다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 소량의 주입을 수행할 때 가장 큰 활용성을 갖는다. 종래의 이온 주입 장치에서는 비임 전류와 주입량이 3가지의 기본적인 기법 즉, 이온 소오스내에서 필라멘트와 이것을 에워싸는 실린더 사이의 전압 또는 전류를 변화시키는 기법과, 이온 소오스내의 자기 코일을 통해 흐르는 전류를 조정하는 기법과, 그리고 이온 분석기와 목표물 사이에 가변 슬리트 셔터(40)를 제공하는 기법에 의해 제어된다. 그러나, 이와같은 통상의 비임 전류 제어 기법들은 모두 소량의 주입, 즉, 대략 1 내지 5×1010ions/㎠ 이하의 주입을 성취하고자 할때 문제점이 생긴다. 이온 소오스내의 필라멘트 실린더 전류 또는 전압을 감소시키는 것 및 이온 소오스내의 자기코일 및 전류를 감소시키는 것은 비효율적이며, 비교적 높은 최소값을 갖는 비임 전류를 발생시킨다. 소량의 주입을 수행할 때, 요구되는 낮은 비임 전류는 상기 기법들 중 어느 하나에 의해 신뢰성있게 달성될 수 있는 최소값 이하로 될 수가 있으므로 가변 슬리트 셔터(40)의 사용이 불가피하다.
그러나, 가변 슬리트 셔터(40)가 종래의 모든 이온 주입 장치에서 사용되었다하더라도, 그것은 너무 많은 결점을 갖는다. 기본적으로, 가변 슬리트 셔터(40)는 미리 선택된 크기의 개구를 통해 이온 비임을 통과시켜 그 비임의 미리 선택된 감쇠를 가능케 한다. 그러나, 소량의 주입에 필요한 이와 같은 비임 슬리팅은 본래 이미 기술된 바와 같이 목표기판 영역 양단의 주입에 있어서는 불균일성을 초래한다.
본 발명은 목표기판에 대한 소량의 주입을 가능케하며 가변 슬리트 셔터에 대한 필요성을 없앤 것이다. 게다가, 후기하는 시험 데이타와 같이, 웨이퍼 양단의 소량의 주입에 대한 균일성과 얻어진 저항값의 반복성에 있어서의 확실한 개선을 제공한다.
모든 웨이퍼들은 100Kev에서 1.2×1013ion/㎠주입되었고 이어서 대략 15분 동안 1050℃에서 어니일(anneal)되었다. 웨이퍼 1 및 2는 본 발명을 이용하였으며, 웨이퍼 3은 이온 비임을 감소시키기 위해 종래의 가변 슬리트 셔터를 이용하였다.
시험 결과는 4인치 웨이퍼상에 3.3인치의 직경 면적을 카바한다.
Figure kpo00002
희석 가스 소오스 표준 밸브 및 조절 수단에 의해 이온 소오스에 상호 연결되는 통상의 질소가스 탱크로서 제공될 수도 있다. 또한, 소오스 가스 및 희석 가스의 미리 혼합된 조성물, 예컨대 10% BF3, 90% N2를 포함하는 탱크를 사용할 수도 있다. 따라서, 본 발명은 기존의 이온 주입 장치에서 용이하게 실시될 수 있다. 비록 실제 실험이 BF3이온 소오스 가스와 질소 희석 가스로서 실행되었지만 유사하게 특수화된 이온 소오스 가스가 이러한 방식으로 희석될 수 있다는 것을 예상할 수 있다. 희석 가스는 비용과, 이온 소오스 가스와의 상호 비작용성과, 안정성과, 그리고 이온 분석기에서 발생하는 표준 자기 분석에 의해 도우펀트 종류로부터 얼마나 용이하게 분해될 수 있는 가의 용이성을 기초로 하여 선택해야 한다. 끝으로, 도면은 이온 주입 장치에 대한 일반화된 구성을 나타내며, 본 발명이 이러한 특정 장치에서의 주입에만 국한되는 것은 아니라는 것을 인지해야 한다.

Claims (6)

  1. 이온 소오스, 이온 분석기, 이온 가속 수단 및 편향 수단을 포함하는 이온 주입 장치에 있어서, 이온 소오스에 결합되고 상기 이온 소오스에 의해 이온 분석기에 제공되는 도우펀트 이온 및 희석 이온의 농도를 선택하기 위한 수단을 제공하는 제어 가능한 불활성 희석 가스 소오스를 포함하는데 상기 희석 이온은 도우펀트 이온과 다른 부피를 갖고, 이온 분석기는 상기 부피의 차이에 기초하여 상기 도우펀트 이온을 통과시키고 상기 희석 이온을 통과시키지 않도록 선택적으로 이동 가능한 개구판을 포함한 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 이온 소오스는 붕소, 인 및 비소로 이루어진 그룹으로부터 이온을 제공하고, 상기 희석 가스는 질소인 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 제어 가능한 불활성 희석 가스 소오스는 희석 가스를 내포하며 밸브 및 압력 조절기를 가진 탱크를 포함한 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치.
  4. 이온 소오스, 이온 분석기, 이온 가속 수단 및 편향 수단을 포함하는 장치를 사용하여 목표기판내에 도우펀트 이온을 주입하는 방법에 있어서, 이온 소오스에 의해 이온 분석기에 제공되는 이온의 농도를 선택하도록 불활성 희석 가스 및 이온 가스를 이온 소오스에 도입하는 단계와, 상기 희석 가스 및 상기 도우펀트 가스를 이온화하여 서로 다른 부피를 갖는 도우펀트 이온 및 희석 이온을 생성하는 단계와, 도우펀트 이온을 이온 분석기에 공급하는 단계와, 이온들을 이온 분석기에서 여과하여 목표기판을 향해 조사되는 상기 도우펀트 이온만의 배출 비임을 생성하는 단계를 포함한 것을 특징으로 한는 이온 주입 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 이온 소오스는 붕소, 인 및 비소로 이루어진 그룹으로부터 이온을 제공하고, 희석 가스는 질소인 것을 특징으로 하는 이온 주입 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 이온 소오스에 도입되는 희석 가스의 양을 선택하므로써 이온 비임 전류를 선택하는 단계를 추가로 포함한 것을 특징으로 하는 이온 주입 방법.
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