KR100591748B1

KR100591748B1 - 이온주입장치 및 이온주입방법

Info

Publication number: KR100591748B1
Application number: KR1019990015197A
Authority: KR
Inventors: 전재선; 이강섭
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 2006-06-22
Also published as: KR20000067404A

Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼에 이온을 주입시키는 이온주입장치에 관한 것이다. 본 발명의 이온주입장치는 소스부, 분석기, 극성변환기 그리고 가속기로 구성된다. 상기 소스부는 이온을 생성하고 상기 분석기는 상기 소스부에서 생성된 이온중 원하는 이온을 선별한다. 그리고 상기 극성 변환기는 상기 분석기를 통과한 이온의 극성을 변화시키고 상기 가속기는 상기 극성 변환기를 통과한 이온을 가속하여 고에너지를 갖게 하는 역할을 한다. 이와 같은 구성을 갖는 이온주입장치에 의하면, 선별된 이온만이 극성 변화됨으로써 불필요한 이온이 웨이퍼에 주입되는 것을 막을 수 있기 때문에, 상기 웨이퍼의 수율을 향상시킬 수 있다. 또한, 극성 변환기에서 Mg기체의 소모가 줄어들기 때문에 설비보수유지 기간이 증대되고, 극성 변환기의 위치를 바꿈으로써 소스부와 전극부의 거리를 넓혀 아크를 방지할 수 있다.

Description

이온주입장치 및 이온주입방법{ION IMPLANTER AND ION IMPLANTING METHOD}

도 1은 종래의 이온주입장치를 설명하기 위한 다이어그램;

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이온주입장치를 설명하기 위한 다이어그램이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 : 소스부 102 : 전극부

104 : 극성 변환기 106 : 분석기

108 : 가속기 110 : 웨이퍼

112 : 보런 114 : 플루오르

116 : 마그네슘 기체

본 발명은 이온주입장치 및 방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 텐뎀(tandem)방식을 사용하는 고에너지 이온주입장치 및 방법에 관한 것이다.

이온주입은 실리콘(silicon)기판내의 특정부위에 전류가 잘 흐르도록 하기 위하여 외부에서 입자를 강제로 가속하여 불순물을 삽입시키는 반도체 제조 기술로 서, 정밀한 불순물 제어가 가능하고 순도높은 불순물 주입이 가능하며 선택적 불순물주입이 가능하다는 여러 가지 장점 때문에 널리 사용되고 있는 기본 프로세스기술이다. 종래에는 수 백eV이하의 중에너지 이온주입장치를 사용하여 실리콘에 이온을 주입한 후에 1100∼1200℃에서 5∼7시간을 어닐링(annealing)하여 불순물을 열확산시켰다. 그러나 300mm 웨이퍼가 등장하면서 중에너지 이온주입장치를 사용하는 종래의 방법에는 많은 단점이 나타났다. 상기 300mm 웨이퍼는 대구경이어서 균일한 가열이 어렵고, 1100∼1200℃의 고온 열처리를 하면 상기 웨이퍼에 슬립(slip)이나 찌그러짐이 발생하기 때문이다. 이에 대응하기 위해서 현재는 고에너지 이온주입장치를 사용한다. 고에너지 이온주입장치에서는 깊숙이 이온주입할 수가 있어서 불순물을 열확산시킬 필요가 없고, 열처리는 1000℃의 RTA(rapid thermal annealing)를 수 십초정도로 끝낸다. 저온, 단시간 열처리가 가능하므로 300mm 웨이퍼에 대응할 수가 있다.

도 1은 종래의 고에너지 이온주입장치를 설명한 다이어그램이다.

도 1을 참조하면, 이온주입장치는 소스부(10)에서 도프(dope)되는 원소의 이온을 생성한다. 상기 소스부(10)에서 생성된 이온(22와 24)은 전극부(12)와 상기 소스부(10)사이의 전압의 힘에 의해서 극성 변환기(14)쪽으로 이동하게 된다. 상기 이온(22)는 이온주입에 필요한 이온인 보런이고, 상기 이온(24)는 이온주입에 필요하지 않은 이온인 플루오르이다. 상기 전극부(12)는 또한 이온을 집속하는 역할도 해서 상기 이온이 상기 극성 변환기(14)에 잘 집속되도록 한다. 상기 극성 변환기(14)에서는 Mg기체를 이용해서 +극성을 가진 이온을 -극성을 가진 이온으로 변환시킨다. 상기 극성 변환기(14)는 텐뎀(tandem)방식을 사용하는 고에너지 이온주입장치에서 사용하는 장치로 상기 텐뎀방식의 이온주입장치는 이온이 상기 가속기(18)로 들어갈 때의 극성이 -극성을 가져야 한다. 그래서 상기 극성 변환기(14)에서는 +극성을 가진 이온을 -극성을 가진 이온으로 변환시켜준다.

이 경우에 플루오르(24)는 보통의 경우에는 상기 분석기(16)을 통과하지 못하게 되지만, 상기 극성 변환기(14)에서 상기 Mg기체와의 충돌에서 일정한 전압을 상실할 경우에는 보런(22)과 함께 상기 분석기(16)를 통과하여 가속기(18)에서 고에너지(1.5MeV)를 얻어서 웨이퍼에 이온주입된다. 이온주입에 필요하지 않는 플루오르(24)가 상기 웨이퍼(20)에 주입될 경우에는 웨이퍼의 오염을 유발해서 품질 및 수율의 저하를 가져온다. 그리고 상기 소스부(10)에서 생성된 이온들이 모두 상기 극성 변환기(14)로 이송되므로 상기 극성 변환기(14)에서의 Mg기체가 대량으로 소모되어 설비유지보수 기간이 단축된다. 또한, 상기 극성 변환기(14)에서 상기 Mg기체와 상기 이온들의 충돌 시 생성된 중성자는 자기장의 영향을 받지 않고 직진운동을 하게 되므로 상기 분석기(16)의 내부에서 휘어지지 않고 빔 덤프(beam dump)에 그대로 부딪쳐서 상기 빔 덤프에 충격을 주어 상기 분석기(16)의 수명을 단축시킨다. 그리고 상기 소스부(10)와 상기 전극부(12)는 사이의 간격이 좁아서 아크가 발생하게 되기 때문에 상기 소스부(10)의 손상을 가져오는 문제점이 발생한다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 불필요한 이온이 웨이퍼에 주입되는 것을 막을 수 있고, 분석기의 손상을 방지할 수 있는 새로운 형태의 이온주입장치 및 이온주입방법을 제공하는 데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 이온주입장치는 소스부, 분석기, 극성 변환기 그리고 가속기를 구비한다. 상기 소스부는 이온을 생성하며 상기 분석기는 상기 소스부에서 생성된 이온중 원하는 이온을 선별한다. 그리고 상기 극성 변환기는 상기 분석기를 통과한 상기 이온의 극성을 변화시키며 상기 가속기는 상기 극성 변환기를 통과한 상기 이온을 가속하여 고에너지를 갖게 한다.

이와 같은 이온주입장치는 상기 극성 변환기가 상기 분석기와 상기 가속기사이에 위치하는 것을 특징으로 한다. 이 경우에는 상기 소스부를 통과한 이온을 모두 극성 변화시키던 종래와는 달리 상기 분석기를 통과한 선별된 이온만이 극성 변화되는 차이가 있다. 또한, 상기 극성 변환기가 상기 분석기와 상기 가속기 사이에 위치하므로 상기 소스부와 상기 소스부에서 생성된 이온을 상기 분석기로 이송시키는 전극부와의 거리도 종래에 발생하던 아크(arc)를 피할 수 있을 정도의 거리로 확장된다.

이와 같은 이온주입장치에 의하면, 불필요한 이온은 상기 분석기를 통과하지 못하여 선별된 이온만이 극성이 변화된다. 그러므로 원하는 이온만이 웨이퍼에 주입되어 상기 웨이퍼의 오염을 피할 수 있다. 또 상기 극성 변환기에서 발생된 중성자의 직진운동에 의해 발생하던 상기 분석기 빔덤프(beam dump)의 홀 같은 손상도 방지할 수 있다. 덧붙여 극성 변환기에서 Mg기체의 소모가 줄어들기 때문에 설 비 보수유지기간이 증대되고, 소스부와 전극부의 거리가 넓어져 아크를 방지되므로 상기 소스부의 수명이 연장된다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면 도 2에 의거하여 상세히 설명한다.

특별히 도 2의 이온주입장치는 텐뎀방식의 고에너지 이온주입장치를 설명한 것이다.

도 2를 참조하면, 원하는 불순물을 원하는 깊이만큼, 원하는 양만큼 주입하는 것이 목적인 이온주입공정에서 원하는 불순물을 발생시키는 곳이 소스부(100)이다. 상기 소스부(100)에는 이온빔 생성장치(도시되지 않음)가 있는데, 상기 이온빔 생성장치는 강한 전류의 공급에 의해 열전자를 방출시키고 상기 열전자는 가스(BF₃)의 입자와 결합하여서 이온(112와 114)을 생성하게 된다. 상기 이온중에서 웨이퍼(110)에 주입하고자 하는 이온은 보런(boron; B)(112)이며 상기 웨이퍼(110)에 주입되어서는 안되는 이온은 플루오르(fluorine; F)(114)이다. 상기 소스부(100)에서 생성된 이온(112와 114)은 상기 소스부(100)와 전극부(102)사이에 형성되는 추출전압(extraction voltage)의 힘에 의해서 분석기(106)쪽으로 이송된다. 상기 전극부(102)는 상기 이온(112와 114)을 이송하기 위해서 전극을 형성하는 것 이외에 상기 이온들을 집속(focusing)하는 역할도 해서 이온들이 흩어지지 않고 상기 분석기(106)으로 이송되게 한다. 이 때, 상기 소스부(100)와 상기 전극부(102)사이의 거리(d')는 도 1의 거리(d)와 비교하여 넓어진 것을 알 수 있다. 상기 소스부(100)와 상기 전극부(102)의 거리가 종래에는 최대가 5.5mm이므로 아크(arc)발생에 의한 설비의 손상이 있었지만, 극성 변환기(104)가 상기 분석기(106)와 가속기(108)의 사이로 이송함에 따라 생긴 추가의 공간을 이용해서 거리를 종래의 d에서 d'로 넓혀 아크발생을 막아서 소스 필라멘트(source filament)설비의 설비 PM(preventive maintenance)주기가 2배정도 증가한다. 이송된 이온들(112와 114)은 상기 분석기(106)를 지나게 되는데 이곳에서 원하는 이온(112)만을 선택할 수 있게 된다. 상기 분석기(106)는 코일로 둘러싸인 꺽어진 형태의 철심으로 구성되어 있고, 자기장이 형성된 공간에서 질량을 가진 이온이 원운동을 하며 그리는 궤적의 반지름에 의해서 이온을 분리하므로 아주 순도가 높은 도핑(doping)이 가능하다. 그러므로 상기 분석기(106)에서는 상기 웨이퍼에 주입하고자 하는 이온인 보런(112)만이 원만한 곡선을 그리며 상기 분석기(106)를 통과하고 플루오르(114)는 상기 분석기(106)의 측벽에 부딪쳐 통과하지 못한다.

만약 이온 주입 공정에서 필요하지 않는 플루오르(114)가 상기 웨이퍼에 주입된다면, 원치 않는 이온이 웨이퍼에 주입되어 품질 및 수율을 저하시키는 에너지 스피쉬즈 오염(energy and species contamination)을 유발한다. 이 경우에 품질과 수율에는 큰 문제점이 발생하므로 상기 에너지 스피쉬즈 오염을 피하기 위해서는 본 발명에서 모든 이온들을 극성 변환시키던 종래의 방식과는 다르게 단지 선별된 이온만을 특별히 본 실시예에서는 보런(112)만을 극성 변화시키는 방식을 취한다.

이 경우에 종래에는 어떻게 상기 플루오르(114)가 상기 분석기(104)를 통과할 수 있었는지를 수식을 통해서 증명해보면 다음과 같다. 종래에는 상기 플루오르(114)가 먼저 상기 극성변환기(104)를 통과한 후에 상기 분석기(106)를 지나게 되므로, 상기 플루오르(114)가 상기 극성변환기(104)에서 마그네슘 기체(116)와 충돌해서 특정한 전압을 상실하여 상기 보런(112)과 동일한 반경을 가지게 되는 경우도 발생한다. 먼저 전하량(Q)이 1.602×10^-19[C], 보런(112)의 질량이 18.43765×10^-27[kg], 플루오르(114)의 질량이 31.84685×10^-27[kg] 그리고 전압이 40,000[V]인 경우에 상기 보런(112)이 상기 추출전압의 힘에 의해서 반경 100[cm]인 분석기를 향해서 이송될 때의 속도는 다음의 식으로 구해진다.

[cm/sec] -(1)

상기 보런(112)이 26,381[cm/sec]의 속도로 자기장이 형성된 상기 분석기(106)를 진행하는 과정에서 자장의 세기가 0.0304[gauss]일 경우에는 상기 보런(112)은 반지름이 100인 등속 원운동을 하게 되면서 반경이 100인 분석기를 통과하게 된다. 하지만 상기 플루오르(114)가 상기 극성변환기(104)에서 마그네슘 기체와 충돌하는 과정에서 일부의 전압을 상실한다고 가정하면, 상기 플루오르(114)는 원래 자기장에서 운동해야하는 궤적과는 다른 운동을 하게 된다. 즉, 만약 상기 플루오르(114)가 반경 100을 가진다고 가정하고 이 때의 속도를 구해보면 속도는 다음의 식으로 구해진다.

-(2)

식(2)를 이용한 경우에 속도는 15,292[cm/sec]가 된다. 이제 상기 플루오르(114)가 속도 15,292[cm/sec]를 가지고 반경이 100인 등속 원운동을 할 경 우에 전압을 식(1)을 이용하여 역으로 계산해보면, 전압은 23,244[V}가 된다. 즉 상기 플루오르(114)가 40000volts의 힘으로 상기 분석기(106)로 가속될 때, 극성변환을 위해서 마그네슘 기체(116)와 충돌하는 과정에서 추출전압의 일부인 16,756volts를 잃게 될 경우 23,244volts의 힘으로 가속되어지며 이 때 상기 분석기(106)로 이동되는 상기 플루오르(114)의 이동속도는 15,292[cm/sec]가 되어 반경이 100인 커브를 그리며 상기 분석기(106)를 무사히 통과하여 가속기(108)로 주입될 수 있어 웨이퍼오염을 일으킬 수도 있다.

상기 분석기(106)는 상기 극성 변환기(104)가 상기 분석기(106)의 앞에 위치하여 상기 극성 변환기(104)에서 상기 Mg기체(116)와 상기 이온들의 충돌 시 생성된 중성자가 자기장의 영향을 받지 않고 직진운동을 하여 상기 분석기(106)의 빔덤프(beam dump)(118)에 부딪쳐서 홀이 생기는 종래의 손상은 이제 발생하지 않는다. 본 발명에서는 선별한 보런(112)만이 상기 분석기(106)를 지나서 상기 극성 변환기(104)로 주입된다. 상기 극성변환기(104)는 상기 이온의 극성을 변화시켜주는 장치로, 보런(112)은 +극성을 띤 이온이지만 상기 극성변환기(104)에서 전자를 잃기 쉬운 마그네슘 기체(116)과 충돌한 후 -극성을 띤 이온(112a)으로 변화된다. 상기 마그네슘 기체(116)는 고체상태의 마그네슘을 셀(cell)안에 넣고 400∼420℃의 열을 가해서 마그네슘 기체를 만드는 방법을 취한다. 이 경우에 선별된 이온만을 극성변화하므로 종래와 비교하여 상기 마그네슘의 소비가 크게 줄어서 설비 PM(preventive maintenance)주기가 2배정도 증가한다. 상기 이온(112a)은 가속기(108)로 이송된 후 다시 +극성을 띤 이온(112b)로 변화되어 상기 웨이퍼(110)에 주입된다.

이와 같은 본 발명을 적용하면, 선별된 이온만이 극성변화됨으로써 불필요한 이온이 웨이퍼에 주입되는 것을 막을 수 있기 때문에, 원치않는 이온이 웨이퍼에 주입되어 품질 및 수율을 저하시키는 에너지 스피쉬즈 오염을 피할 수 있다. 그리고 극성 변환기에서 발생하던 중성자가 없어지기 때문에, 분석기의 빔덤프에서 발생하던 홀같은 손상을 방지할 수 있다. 또한, 극성 변환기에서 Mg기체의 소모가 줄어들기 때문에 설비보수유지 기간이 증대되고, 극성 변환기의 위치를 바꿈으로써 소스부와 전극부의 거리를 넓혀 아크를 방지할 수 있다.

Claims

삭제
이온주입장치에 있어서,

이온을 생성하는 소스부와;

상기 소스부에서 생성된 이온중 원하는 이온을 선별하는 분석기와;

상기 분석기를 통과한 이온의 극성을 변화시키는 극성 변환기와;

상기 극성 변환기를 통과한 이온을 가속하여 고에너지를 갖게 하는 가속기와;

상기 소스부와 상기 분석기 사이에 설치되고, 상기 소스부로부터 상기 분석기로 이온을 이송시킴과 동시에 집속시키는 전극부를 포함하여,

상기 분석기에서 선별된 이온만이 극성변화됨으로써 웨이퍼에 불필요한 이온이 주입되는 것을 방지하고, 아크발생을 최소화하기 하기 위해 상기 전극부는 상기 소스부와의 거리가 5.5mm이상으로 설치되는 것을 특징으로 하는 이온주입장치.
이온주입장치에 있어서,

이온을 생성하는 소스부와;

상기 소스부에서 생성된 이온중 원하는 이온을 선별하는 분석기와;

상기 분석기를 통과한 이온의 극성을 변화시키는 극성 변환기 및;

상기 극성 변환기를 통과한 이온을 가속하여 고에너지를 갖게 하는 가속기를 포함하여,

상기 분석기에서 선별된 이온만이 극성변화됨으로써 웨이퍼에 불필요한 이온이 주입되는 것을 방지하되,

상기 극성 변환기는 마그네슘셀(mg cell)인 것을 특징으로 하는 이온주입장치.
웨이퍼에 이온을 주입하는 방법에 있어서,

이온들을 생성하는 단계와;

상기 생성된 이온들에서 상기 웨이퍼에 주입시키기 위한 이온을 선별하는 단계와;

상기 선별된 이온의 극성을 변환시키는 단계와;

상기 극성이 변화된 이온을 가속시키는 단계 및 ;

상기 가속된 이온을 상기 웨이퍼에 주입시키는 단계를 포함하되,

상기 극성 변환기는 마그네슘셀(mg cell)인 것을 특징으로 하는 이온주입방법.