KR100189995B1 - 이온 주입장치 및 이를 이용한 이온주입방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이온 주입장치 및 이를 이용한 이온주입방법에 관해 개시한다. 본 발명에 의한 이온 주입장치는 이온 추출기와 음 이온변환기 및 질량분석기를 구비하는 이온 주입장치에 있어서, 상기 질량분석기에 상기 질량분석기 내의 자기장의 방향을 바꿀 수 있는 극성 변환기가 구비되어 있다. 본 발명에 의한 이온주입장치를 사용하여 이온주입을 실시하면, 종래기술에 의한 이온 주입장치로는 불가능하였던 얕은 불순불충과 깊은 불순물층을 장치의 변경 없이 웨이퍼 상에 형성하는 것이 가능하다. 즉, B+나 P+ 뿐만 아니라 BF+ 불순물도 하나의 이온 주입장치를 사용하여 이온주입하는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명에 의한 이온 주입장치를 사용하여 이온 주입을 실시한다면, 종래에 비해 반도체장치의 생산성과 양산기술의 경쟁력을 높일 수 있다.
Description
제1도는 종래기술에 의한 이온 주입장치의 블록도이다.
제2도는 본 발명에 의한 이온 주입장치의 블록도이다.
제3도는 본 발명의 실시예에 의한 이온 주입장치를 구성하는 요소들간의 연결관계를 나타내는 구성도이다.
제4도는 제3도에 도시한 질량분석기내의 자기장 방향의 변화를 나타낸 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
16 : 질량분석기 40 : 극성변환기
본 발명은 이온 주입장치 및 이를 이용한 이온주입방법에 관한 것으로써, 특히 질량분석기와 연결되어 입력된 프로그램에 따라 자동적으로 질량분석기내의 자기장의 방향을 바꿀 수 있는 수단을 구비하는 이온주입장치와 이를 이용한 이온 주입방법에 관한 것이다.
반도체 제조공정에 있어서, 이온주입공정은 반도체장치의 특성 중 신뢰성을 결정짓는 주요한 공정이다.
이온 주입공정에 사용되는 이온주입장치는 크게 깊은 불순물층을 형성하기 위한 이온주입장치와 얕은 불순물층을 형성하기 위한 이온주입 장치로 나눌 수 있다.
얕은 불순불층을 형성하기 위한 이온 주입장치는 양 전하를 띤 불순물들(예컨대 붕소, 인 및 비소 등)을 가속하여 웨이퍼에 주입하는 방식이며, 주로 중 전류용과 고 전류용 이온주입 장치들이 해당된다.
반면, 반도체장치의 대구경화 및 고 집적화에 따라 웨이퍼가 가공되면서 받는 총열량에 대한 연구가 활발히 진행되어 오던 중 깊은 불순물층을 형성 공정이 필요하게 되었다. 깊은 불순물층을 형성하는데, 사용되는 이온 주입장치는 기존의 양이온 주입장치에 음이온 변환기를 더 구비한다. 이와 같은 이온 주입장치를 이용하여 주입할 수 있는 불순물로는 붕소이온(B+)이나 인이온(P+)등이 있다. 이들 이온들은 음이온 변환기를 지나면서 음 이온화되고, 기존의 양이온 주입장치에서 가하는 에너지와 동일한 에너지를 가하더라도 가속기를 지나면서 양이온이 얻은 가속에너지의 2배에 해당하는 주입에너지를 얻을 수 있다.
이와 같은 결과는 다음 식을 참조함으로써 알 수 있다.
즉, 전기장내에서 직선 운동하는 하전입자가 얻는 에너지를 나타내는 식, v2=2qV/m[cm/sec]식 (1)(단, q는 하전입자의 전하량이고, V는 가속기 내의 전위차 즉, 가속전압이다. 그리고 m은 하전입자의 원자량이고 v는 가속기를 나오는 순간에서의 하전입자의 속력이다)을 참조하면, 식 (1)에서 하전입자는 가속기내에서 척력과 인력을 동시에 받으므로 2배의 가속전압을 받는 것과 같다. 따라서 하전입자가 가속기를 나올 때는 가속기를 들어올 때의 2배의 에너지를 얻는다.
이와 같은 음이온 변환기를 구비하는 깊은 불순물층을 형성하는 이온 주입장치를 이용하여 얕은 불순물층을 형성하기 위해서는 먼저, BF+를 음이온화해야한다. 그런데, 음이온 변환기는 붕소나 인이온은 음이온화시키는 것이 가능하나 BF+ 이온은 쉽게 깨어져서 음이온화하기 어렵다. 따라서 이온 변화없이 이온 변환기를 통과시키면, 질량분석기 내에서 음 이온이 편향되는 방향과 반대로 편향되므로 가속기로 들어갈 수가 없다.
계속해서 첨부된 도면을 참조하여 음이온 변환기를 구비하는 종래기술에 의한 이온 주입장치를 상세하게 설명한다.
제1도는 종래기술에 의한 음이온 변환기를 구비하는 이온주입장치의 블럭도이다.
제1도에서 각 블럭간의 화살표(→)는 이온의 이동 방향을 나타내고 각 블럭은 이온 주입장치의 구성요소들을 나타낸다.
제1도를 참조하면, 종래기술에 의한 이온 주입장치는 이온발생기(10)와 이온 추출기(12)와 음 이온 변환기(14), 질량분석기(16), 가속기(18), 집속기(20) 및 이온측정장치(22)등으로 구성된다.
계속해서 이와 같은 구성을 갖는 이온 주입장치에 의해 불순물이온이 주입되는 과정을 살펴본다. 이온 발생기(10)로부터 발생된 이온은 이온 추출기(12)를 거치면서 이온 주입에 필요한 이온 예컨대, 붕소이온(B+)이 선별된다. 이온 추출기(12)를 나온 이온은 가속을 위해 음 이온 변환기(14)를 거치면서 음 이온으로 변환된다. 음이온 변환기에 의한 양이온의 음 이온으로의 변환조건은 음이온변환기에서 마그네슘(Mg)을 전자공여물질로 사용할 때 변환온도를 250℃ 이상으로 하는 것이다. 이와 같은 상황에서 음 이온 변환기 내의 마그네슘은 쉽게 음 이온 변환기(14)로 들어온 양이온에게 전자를 공여한다. 음 이온 변환기를 나오는 음 이온은 일정한 자기장이 형성되어있는 질량분석기(16)에 들어간다. 질량분석기(16)를 지나면서 음이온은 질량분석기(16)내의 자기장의 세기와 그들의 성질, 예를 들면 이온의 질량이나 이온화정도에 의해 편향정도가 달라진다. 따라서 웨이퍼에 주입하고자 하는 불순물이 선정되면, 선정된 불순물의 질량과 이온화 등을 고려하여 질량분석기(16)내의 자기장을 미리 조절하여 질량분석기(16)다음에 놓인 가속기(18)로 정확히 이온을 들어가게 할 수 있다. 질량분석기(16)를 거쳐 가속기(18)로 들어간 이온은 가속되어 가속기(18)를 나오는 순간에는 식 (1)에 의해 계산되는 속력을 갖는다. 즉, 가속기(18)에 들어올 때의 에너지의 2배에 해당하는 운동에너지를 얻는다. 이 운동에너지는 가속에너지이다. 가속기(18)를 나온 이온은 집속기(20)에 들어가는데 집속기(20)에서는 이온들을 밀도가 높은 가는 빔(beam)으로 형성한다. 집속기를 나온 이온은 이온측정기(22)를 거쳐서 반응챔버(도시하지 않음)에 들어간다. 반응챔버에 들어간 음 이온은 일반적인 방법으로 다시 양 이온화되어 웨이퍼에 주입된다.
상술한 바와 같이 종래기술에 의한 이온 주입장치는 붕소이온이나 인이온 등을 음 이온으로 변환하여 웨이퍼 상에 깊은 불순물층을 형성하는데 사용할 수 있다.
반면, BF+ 이온 등을 사용하는 얕은 불순물층을 형성에는 사용할 수 없다. 그 이유는 상술한 바와 같이 BF+ 이온은 음 이온화 과정에서 쉽게 깨어진다. 또한, 깨어짐을 피하기 위해 음 이온화하지 않고 그대로 양이온상태로 질량분석기내로 들어가면 편향이 음 이온과는 반대방향으로 일어나기 때문이다.
이처럼 종래기술에 의한 이온 주입 장치는 양전하(+,-)의 이온주입에는 사용할 수 없으므로 전하의 종류에 따라 각각 별도의 이온주입 장치를 사용해야 하므로 종래기술에 의한 이온 주입 장치는 생산성 및 양산기술의 경쟁력이 약하다.
따라서 본 발명의 목적은 상술한 종래기술이 갖는 문제점을 해결하는 것으로, 높은 생산성 향상과 경쟁력을 갖는 이온 주입장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 이온 주입장치를 이용한 이온주입방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 이온 주입장치는 이온 추출기와 음이온 변환기 및 질량분석기를 구비하는 이온 주입장치에 있어서, 상기 질량분석기에는 상기 질량분석기에 공급되는 전류의 방향을 바꾸어서 상기 질량분석기에 발생되는 자기장의 방향을 바꿀 수 있는 극성변환기가 있는 것을 특징으로 하는 이온 주입장치를 제공한다.
상기 극성변환기에 의한 전류의 극성변환은 극성변환기에 입력되어 있는 프로그램에 따라 자동적으로 이루어진다.
상기 극성변환기는 계전기(relay) 또는 모터(motor)이다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 양이온과 음이온 주입에 공동으로 사용하는 이온 주입장치에 의한 이온 주입방법은 이온을 발생시키는 단계와 질량분석기를 이용하여 이온을 편향시키는 단계와 이온을 가속 및 집속시키는 단계를 포함하는 이온주입방법에 있어서, 상기 질량분석기를 이용하여 이온을 편향시키는 단계에는 상기 질량분석기에 극성변환기를 설치하는 단계; 및 상기 극성변환기를 사용하여 자동적으로 상기 질량분석기내에 들어오는 이온에 따라 상기 질량분석기내의 자기장의 방향을 변화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 극성변환기는 변환방식에 따라 상기 계전기나 모터를 이용하여 자동으로 조절된다. 상기 질량분석기내의 자기장 방향은 상기 극성변환기의 조절에 따라 방향이 바뀐다.
본 발명에 의한 이온 주입장치는 이온 주입장치를 바꾸지 않고 양이온과 음 이온을 웨이퍼에 이온주입할 수 있는 장치이고, 이 장치를 사용하여 이온 주입을 함으로서 종래에 비해 반도체장치의 생산성과 양산기술의 경쟁력을 높일 수 있다.
이하, 본 발명에 의한 이온 주입장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 아래의 본 발명을 기술하는 과정에서 종래의 기술을 설명하기 위해 인용한 참조번호나 부호와 동일한 참조번호와 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
제2도는 본 발명에 의한 이온 주입장치의 블록도이다.
제2도를 참조하면, 본 발명에 의한 이온 주입장치는 종래기술에 의한 이온 주입장치와 마찬가지로 이온발생기(10)와 이온 추출기(12)와 음 이온 변환기(14), 질량분석기(16), 가속기(18), 집속기(20) 및 이온측정 장치(22)등을 구비하고 있으나, 이외에도 상기 질량분석기(16)에 극성변환기(40)가 더 연결되어 있다. 도면에 도시되어 있지 않지만, 상기 질량분석기(16)에 자기장 형성 위한 전자석이 구비되어 있다. 상기 전자석에 흐르는 전류의 세기와 전류의 흐르는 방향을 변화시켜서 상기 질량분석기(16)내의 자기장의 세기와 자기장의 방향을 바꿀 수 있다. 상기 극성변환기(40)는 상기 질량분석기내의 자기장의 방향을 바꾸는 수단이다. 곧 상기 전자석에 흐르는 전류의 방향을 바꾸기 위해 상기 전자석에 감긴 코일 양단의 극성(+,-)을 자동적으로 바꾸는 수단이다. 상기 극성변환기(40)는 상기 전자석에 흐르는 전류의 방향을 입력된 프로그램에 따라 자동적으로 바꿀 수 있는 계전기(relay) 또는 모터(motor)이다.
계속해서 본 발명에 의한 이온 주입장치를 이용한 이온 주입방법을 상세하게 설명한다.
먼저, 붕소이온(B+)이나 인이온(P+)의 주입 방법을 설명한다.
상기 이온 발생기(10)로부터 주입에 필요한 이온들을 형성한다. 상기 이온 발생기로부터 발생된 이온들은 이온 추출기(12)로 들어간다. 상기 이온 추출기(12)에서 추출된 양이온 예컨대, 붕소이온이나 인이온은 상기 음 이온 변환기(14)에 의해 음 이온화된다. 이때, 상기 음이온 변환기(14)의 변환 조건은 종래와 동일하다. 상기 음 이온변환기(14)에 의해 음 이온화된 상기 붕소나 인이온은 상기 질량분석기(16)에 의해 편향되어 상기 가속기(18)로 들어간다. 계속해서 상기 가속기(18)에 들어간 음이온은 차속도중에 양이온으로 전환되고 상기 가속기(18)를 나온 양이온은 웨이퍼에 주입된다. 이 과정에서 상기 극성변환기(40)는 상기 이온들에 아무런 영향을 주지 않는다.
다음으로 BF+ 이온을 웨이퍼에 이온주입하는 과정을 설명한다.
상기 BF+ 이온은 상기 이온 발생기(10)와 이온 추출기(12)를 거쳐서 음 이온 변환기(14)로 들어온다. 이때, 상기 음 이온 변환기(14)의 변환조건은 변환온도를 250℃이하로 낮추거나 이온 변환기를 끈다. 이와 같은 조건에서 상기 BF+ 이온의 극성은 변화되지 않고 그대로 질량분석기(16)로 들어간다. 이때, 상기 질량분석기(16)에 연결되어 있는 상기극성변환기(40), 예컨대 계전기 또는 모터는 이미 입력되어 있는 프로그램에 따라 자동적으로 동작되어 상기 질량분석기(16)에 구비된 전자석에 흐르는 전류의 방향을 반대방향으로 바꾼다. 따라서 상기 질량분석기(16)내의 자기장의 방향도 반대로 바뀐다. 이와 같은 상황에서 상기 질량분석기(16)에 들어오는 음 이온은 반대방향의 자기력을 받는다. 반대로 양이온 즉, 상기 BF+ 이온은 원래의 음 이온이 받는 방향으로 자기력을 받는다. 따라서 상기 BF+ 이온은 가속기(18)로 정확히 편향된다. 이후의 상기 BF+ 이온의 경로는 종래와 동일하다.
본 발명의 실시예에 의한 이온 주입장치를 구성하는 요소들 사이의 관계는 제3도에 도시한 바와 같다. 이를 참조하여 이온 주입장치의 구성과 이온소오스로부터 발생된 이온이 질량분석기를 거쳐 가속기로 들어가는 과정을 설명한다.
구체적으로, 이온소오스로부터 방출된 양이온(42), 예컨대 B+, P+, BF+ 및 BF2+로 이루어진 군 중 선택된 하나와 같이, 일원자 양이온 또는 이원자 이상의 다원자 양이온이 이온 추출기(44)를 통과하게 된다. 이어서, 이온변환기(46)를 통과한다. 상기 양이온(42)의 대부분은 그대로 상기 이온변환기(46)를 통과하겐 되나, 일부 예컨대, B+는 상기 이온변환기(46)를 거치면서 음 이온화된다.
질량분석기(48)내의 자기장(B)의 방향은 도시한 바와 같이 지면으로부터 나오는 방향이다. 따라서, 상기 질량분석기(48)내에 음이온이 입사되는 경우에는 제1궤적(T1)을 따라 질량분석기(48)를 나오게 된다. 상기 질량분석기(48)내의 자기장(B)의 세기는 입사되는 음이온이 상기 제1궤적(T1)을 따르도록 조절되어 있는 상태이다.
한편, 상기 이온변환기(46)를 그대로 통과한 상기 양이온(42)이 상기 질량분석기(48)내에서 상기 제1궤적(T1)을 따르게 하기 위해 상기 질량분석기(48)내의 자기장(B)의 방향을 제4도에 도시한 바와 같이 반대방향으로 바꾼다. 즉, 지면에서 나오는 방향에서 지면으로 들어가는 방향이 되도록 바꾼다. 이러한 결과는 상기 질량분석기(48)와 연결되어 있는 극성변환기(50)를 이용하여 상기 질량분석기(48)를 감싸는 코일(미도시)에 흐르는 전류의 방향을 반대방향으로 바꿈으로써 상기 질량분석기(48)내의 자기장의 방향도 지면으로부터 나오는 방향에서 들어가는 방향으로 바뀌게 된다. 이와 같이 자기장의 방향이 바뀐 질량분석기(48)에 입사되는 상기 양이온(42)은 극성변화 전의 질량분석기(48)에 입사되는 음이온이 받는 힘의 방향과 동일한 방향으로 힘을 받게 된다. 이 결과, 상기 양이온(42)은 상기 질량분석기(48)내에서 상기 제1궤적(T1)을 따르게 된다.
한편, 상기 질량분석기(48)에 입사되는 이온의 질량의 달라질 경우, 그 궤적은 이온의 극성에 따라 제2 또는 제3의 궤적(T2,T3)이 되나, 이는 상기 질량분석기(48)내의 자기장(B)의 세기와 방향을 조절함으로써, 상기 이온의 궤적이 상기 제1궤적(T1)을 따르게 할 수 있다.
상기 질량분석기(48)를 감싸는 코일에 흐르는 전류는 상기 극성변환기(50)를 거치게 된다. 상기 코일에 흐르는 전류의 방향은 상기 극성변환기(50), 예컨대 계전기 또는 모터(motor)를 이용하여 간단히 바꿀 수 있다.
이와 같은 방법으로 본 발명에서는 양이온과 음 이온주입에 공동으로 사용하는 이온 주입장치를 이용하여 이온 주입을 실시한다. 따라서, 종래기술에 의한 이온 주입장치로는 불가능하였던 얕은 불순물층과 깊은 불순물층을 장치의 변경 없이 웨이퍼 상에 형성하는 것이 가능하다. 즉, B+나 P+ 뿐만 아니라 BF+ 불순물도 하나의 이온 주입장치를 사용하여 이온주입하는 것이 가능하다.
따라서 본 발명에 의한 이온 주입장치를 사용하여 이온 주입을 실시한다면, 종래에 비해 반도체장치의 생산성과 양산기술의 경쟁력을 높일 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 실시 가능함은 명백하다.
Claims (6)
- 이온 추출기와 음 이온 변환기 및 질량분석기를 구비하는 이온 주입 장치에 있어서, 상기 질량분석기에는 상기 질량분석기에 공급되는 전류의 방향을 바꾸어서 상기 질량분석기에 발생되는 자기장의 방향을 바꿀 수 있는 극성변환기가 있는 것을 특징으로 하는 이온 주입장치.
- 제1항에 있어서, 상기 극성변환기는 계전기(relay)인 것을 특징으로 하는 이온 주입장치.
- 제1항에 있어서, 상기 극성변환기는 모터(motor)인 것을 특징으로 하는 이온 주입장치.
- 이온을 발생시키는 단계와 질량분석기를 이용하여 이온을 편향시키는 단계와 이온을 가속 및 집속시키는 단계를 포함하는 이온 주입방법에 있어서, 상기 질량분석기를 이용하여 이온을 편향시키는 단계에는 상기 질량분석기에 극성변환기를 설치하는 단계; 및 상기 극성변환기에 입력된 프로그램에 따라 자동적으로 상기 질량분석기내에 들어오는 이온에 따라 상기 질량분석기내의 자기장의 방향을 변화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입방법.
- 제4항에 있어서, 상기 질량분석기내의 자기장의 방향을 자동적으로 바꾸기 위한 극성변환기로써 계전기를 사용하는 것을 특징으로 하는 이온 주입방법.
- 제4항에 있어서, 상기 질량분석기내의 자기장의 방향을 바꾸기 위한 극성변환기로써 모터를 사용하는 것을 특징으로 하는 이온 주입방법.
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