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KR101977702B1 - 이온 소스 헤드 및 이를 포함하는 이온 주입 장치 - Google Patents

이온 소스 헤드 및 이를 포함하는 이온 주입 장치 Download PDF

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KR101977702B1
KR101977702B1 KR1020160167509A KR20160167509A KR101977702B1 KR 101977702 B1 KR101977702 B1 KR 101977702B1 KR 1020160167509 A KR1020160167509 A KR 1020160167509A KR 20160167509 A KR20160167509 A KR 20160167509A KR 101977702 B1 KR101977702 B1 KR 101977702B1
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reaction chamber
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ion
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최동호
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에스케이하이닉스 주식회사
주식회사 밸류엔지니어링
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Abstract

본 발명의 실시 예에 의한 이온 소스 헤드는 이온화 공간을 제공하는 반응 챔버; 고주파 전력을 인가 받아 상기 반응 챔버 내에 유도 자장을 형성하여 상기 반응 챔버로 공급된 소스 가스를 이온화하기 위해 상기 반응 챔버의 외부 표면 상에 배치된 플라즈마 생성 코일; 및 상기 플라즈마 생성 코일에 상기 고주파 전력을 인가하는 고주파 전원 소스를 포함한다.

Description

이온 소스 헤드 및 이를 포함하는 이온 주입 장치{Ion source head and ion implantation apparatus including the same}
본 발명은 반도체 장치 제조 설비에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이온 소스 헤드 및 이를 포함하는 이온 주입 장치에 관한 것이다.
반도체 재료에서의 가장 중요한 특성 중의 하나인 전기 전도율은 불순물을 첨가하여 조절한다. 반도체에 불순물을 첨가하는 방법에는 확산(diffusion)에 의한 방법과 이온 주입(ion implantation)에 의한 방법이 있다.
이중 이온 주입 방법은 도핑(dopping)시키고자 하는 불순물 물질을 이온화시킨 후 가속시켜 높은 운동 에너지를 갖는 불순물 원자를 웨이퍼 표면에 강제 주입시키는 기술이다. 이러한 이온 주입 방법은 열 확산 방법에 비해 수평 방향으로의 입자 이동이 거의 없어 단위 셀 집적도 향상에 크게 유리하므로 불순물 주입 방식으로 널리 사용된다.
일반적으로 이온 주입 장치는 전원에 연결된 필라멘트가 가열되면서 캐소드에서 방출되는 열전자와 불순물 가스의 입자가 충돌하는 방식으로 불순물 가스를 이온화한다. 한편, 필라멘트 및 캐소드가 설치된 이온 발생 공간을 갖는 아크 챔버는 도전성 금속 물질로 이루어지는데, 열반응에 의해 불순물 가스와 아크 챔버의 금속 물질 간의 반응 부산물이 생성됨에 따라 플라즈마의 생성이 저하되는 문제가 있다.
또한, 이온들이 방출되는 슬릿에 반응 부산물이 증착되어 이온 빔의 균일도가 낮아지고, 열전자 방출을 위해 필라멘트가 지속적으로 가열됨에 따라, 필라멘트가 끊어져 장비 수명이 짧아지는 문제가 있다.
본 발명의 실시 예는 반응 부산물의 생성을 억제할 수 있는 이온 소스 헤드 및 이를 포함하는 이온 주입 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 의한 이온 소스 헤드는 이온화 공간을 제공하는 반응 챔버; 고주파 전력을 인가 받아 상기 반응 챔버 내에 유도 자장을 형성하여 상기 반응 챔버로 공급된 소스 가스를 이온화하기 위해 상기 반응 챔버의 외부 표면 상에 배치된 플라즈마 생성 코일; 및 상기 플라즈마 생성 코일에 상기 고주파 전력을 인가하는 고주파 전원 소스를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 의한 이온 주입 장치는 고주파 전력을 인가 받아 유도 자장을 형성하고, 형성된 유도 자장에 의해 외부로부터 공급된 소스 가스를 이온화하고, 이온 빔을 제공하는 이온 소스 헤드; 상기 이온 소스 헤드로부터 제공된 이온 빔을 구성하는 이온들 중 기판으로 주입하기 위한 특정 이온들을 선별하는 질량 분석기; 및 선별된 상기 특정 이온들을 가속하여 상기 기판 방향으로 전송하는 이온 전송부를 포함한다.
본 실시 예에 따르면, 저온에서 플라즈마를 생성할 수 있으므로, 반응 챔버와 소스 가스 간의 열반응을 최소화하여 반응 부산물이 생성되는 것을 억제할 수 있다.
이와 같이, 반응 부산물의 생성이 억제됨에 따라, 이온이 방출되는 슬릿 상에 부산물이 증착되는 것을 방지하여 이온 빔의 균일도가 향상될 수 있다.
또한, 열전자 방출을 위한 필라멘트를 사용할 필요가 없으므로, 장비의 수명이 증가하고 부품 교체 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이온 주입 장치를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이온 소스 헤드의 개략적인 단면도이다.
도 3은 플라즈마 생성 코일에 고주파 전력 인가 시 반응 챔버 내에 형성되는 유도 자장을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 기술의 실시 예를 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이온 주입 장치를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시 예에 의한 이온 주입 장치(10)는 이온 소스 헤드(100), 질량 분석기(200), 이온 전송부(300), 및 엔드 스테이션(400)을 포함할 수 있다.
이온 소스 헤드(100)는 외부로부터 소스 가스를 공급받고, 공급된 소스 가스를 이온화하여 이온을 발생시킬 수 있다. 소스 가스는 삼불화붕소(BF3), 수소화비소(AsH3), 수소화인(PH3) 또는 플르오르화게르마늄(GeF4) 등을 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
이온 소스 헤드(100)는 발생된 이온들을 추출하여 이온 빔의 형태로 질량 분석기(200)로 제공할 수 있다. 본 실시 예에 의한 이온 소스 헤드(100)는 고주파(RF) 전력을 인가 받아 형성된 유도 자장을 이용하여 공급된 소스 가스를 이온화할 수 있다. 이와 같은 방법으로 생성된 플라즈마를 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma, ICP)라 할 수 있다. 본 실시 예에 의한 이온 소스 헤드(100)의 구체적인 구성 및 동작은 이후 도 2를 참조하여 상세히 설명할 것이다.
질량 분석기(200)는 이온 소스 헤드(100)로부터 제공된 이온 빔을 구성하는 이온들 중 기판으로 주입하기 위한 특정 이온들을 선별할 수 있다. 예를 들어, 질량 분석기(200)는 이온 빔을 구성하는 이온들의 질량 차이를 이용하여 특정 이온들을 선별할 수 있다. 질량 분석기(200) 내부에는 예를 들어 일정 각도로 꺾인 분석기 자석(미도시)이 마련되며, 상기 분석기 자석에 의해 형성되는 자기장은 불순물 또는 여러 종류의 양이온들을 포함하는 이온 빔을 곡선 궤도로 편향시키는 힘을 제공할 수 있다. 이때, 주어진 자기장의 세기에 대하여 상대적으로 무거운 질량을 갖는 이온들은 상대적으로 가벼운 질량을 갖는 이온들에 비하여 작은 각도로 편향될 수 있다. 이러한 곡선 궤도의 곡률 반경은 상기 분석기 자석의 자기장의 세기에 따라 결정될 수 있다. 따라서, 상기 분석기 자석의 자기장의 세기를 조절하여 원하는 이온들만 선별하여 이온 전송부(300)로 제공할 수 있다.
이온 전송부(300)는 이온 빔을 포커싱하는 렌즈(미도시) 및 이온들을 가속하는 가속기(미도시)를 포함할 수 있다. 이온은 이동이 빨라지면 운동에너지가 더 높아지고, 운동에너지가 높아지면 기판의 표면에 충돌할 때 기판 내로 더 깊게 주입될 수 있다. 가속기는 양이온에 부가적인 에너지를 부가하는 전기장을 형성할 수 있다. 양이온은 양 전하를 가지므로 음의 극성을 갖는 전기장으로 끌려간다. 음의 극성을 갖는 전기장을 형성하기 위하여 가속 전압을 인가하며 전기장의 세기를 증가시키면 양이온은 더 빠르게 이동한다. 반면, 감속 전압을 인가하여 전기장의 극성을 바꾸면 이온들을 감속시킬 수 있다.
엔드 스테이션(400)은 하나 이상의 기판(미도시)을 지지하는 지지부(미도시) 및 지지부를 회전 또는 이동시키기 위한 구동부(미도시)를 포함할 수 있다. 이온이 주입될 기판은 지지부 상에 로딩되며, 지지부는 기판에 이온들이 균일하게 주입되도록 구동부에 의해 고속으로 회전 또는 상하 운동할 수 있다.
도 1에 도시되지는 않았으나, 이온 주입 장치(10)는 하나 이상의 진공 펌프를 포함할 수 있다. 또한, 이온 주입 장치(10)는 이온 빔의 이온 전류를 측정하기 위한 페러데이 컵 시스템을 더 포함할 수 있으며, 기판에 주입되는 이온의 양은 페러데이 컵 시스템에 의하여 산출될 수 있다. 도 1은 이온 주입 장치(10)의 주요 구성만을 개략적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이온 소스 헤드의 개략적인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시 예에 의한 이온 소스 헤드(100)는 반응 챔버(110), 슬릿 부재(120), 페라이트 코어(130), 플라즈마 생성 코일(140), RF 전원 소스(150), 및 추출 전극(160)을 포함할 수 있다.
반응 챔버(110)는 외부로부터 공급된 소스 가스가 이온화되는 공간을 갖고, 이를 기밀하게 유지시키도록 구성될 수 있다. 반응 챔버(110)는 일 측에서 분기되고 타 측에서 합류되는 폐회로 형상을 갖는 파이프 형태일 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
반응 챔버(110)의 일 측에는 소스 가스가 공급되는 가스 공급 라인(111)이 연결되고, 반응 챔버(110)의 타 측에는 이온화된 가스가 배출되는 가스 배출 라인(113)이 연결될 수 있다. 가스 배출 라인(113)의 측면에는 슬릿 부재 체결부(115)가 구비될 수 있다.
반응 챔버(110)는 가스 공급 라인(111)의 말단부에서 양 측으로 분기되고, 가스 배출 라인(113)의 도입부에서 합류하는 형상을 가질 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 반응 챔버(110)는 가스 공급 라인(111)의 말단부에 연결되고 양 측으로 분기된 제1 부분(110a), 제1 부분(110a)의 양 단부로부터 수평 방향으로 서로 평행하게 연장하는 제2 부분들(110b), 및 제2 부분들(110b)의 단부들로부터 연장되어 합류하고 가스 배출 라인(113)의 도입부에 연결되는 제3 부분(110c)을 포함할 수 있다. 반응 챔버(110)의 제1 부분(110a)과 제3 부분(110c)은 서로 평행하게 배치될 수 있다. 또한, 반응 챔버(110)의 제1 부분(110a)과 제3 부분(110c)은 제2 부분들(110b)에 수직하게 배치될 수 있다.
슬릿 부재(120)는 가스 배출 라인(113)의 측면에 마련된 슬릿 부재 체결부(115)에 착탈 가능하게 체결될 수 있다. 슬릿 부재(120)는 반응 챔버(110)로부터 이온이 방출되는 슬릿을 포함할 수 있다.
페라이트 코어(130)는 반응 챔버(110)의 제2 부분들(110b)의 표면 상에 장착될 수 있다. 이때, 페라이트 코어(130)의 수평 방향 길이는 반응 챔버(110)의 제2 부분들(110b)의 수평 방향 길이보다 짧을 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 페라이트 코어(130)의 수평 방향 길이는 필요에 따라 더 길게 또는 더 짧게 조절될 수 있다.
페라이트 코어(130)는 플라즈마 생성 코일(140)을 통한 RF 전류 흐름에 의해 방사형으로 형성되는 자기장을 반응 챔버(110)를 향해 국부적으로 한정하여 집중시킬 수 있다. 여기에서, 페라이트 코어(130)는 큰 투자율(magnetic permeability)을 갖는 페리자성체(ferrimagnetic substance)의 일종으로 외부 자기장 속에서 상기 자기장과 같은 방향으로 강하게 자화되는 특성을 가진다. 이에 따라, 플라즈마 생성 코일(140)과 플라즈마 사이의 커플링 효율성이 증가되어 높은 플라즈마 밀도 및 균일도를 구현할 수 있다.
일반적으로, 이온 소스 헤드(100)의 반응 챔버(110)로 공급되는 소스 가스의 유량은 3 sccm 정도로 매우 작다. 이에 따라, 반응 챔버(110) 내에 존재하는 원자들의 밀도 역시 낮아 플라즈마 생성이 용이하지 않을 수 있다. 따라서, 본 실시 예에서는 페라이트 코어(130)를 사용하여 해당 위치에서의 플라즈마 밀도를 높임으로써, 이온화가 활발하게 일어날 수 있도록 한다.
플라즈마 생성 코일(140)은 페라이트 코어(130)의 외주면에 적어도 1회 이상 감기도록 구성될 수 있다. 플라즈마 생성 코일(140)은 예를 들어, 구리, 스테인리스스틸, 은, 또는 알루미늄 등으로 이루어질 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 플라즈마 생성 코일(140)은 RF 전원 소스(150)로부터 RF 전원을 인가 받아 반응 챔버(110) 내에 전자장을 유도하여 유도 결합 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
예를 들어, 도 3을 참조하면, 플라즈마 생성 코일(140)을 통해 흐르는 RF 전류는 플라즈마 생성 코일(140)이 둘러싼 반응 챔버(110) 내의 공간에 축방향의 RF 자기장(H)을 생성시킨다. 반응 챔버(110) 내의 소스 가스가 전자 충돌에 의해 부분적으로 이온화되면, 이 RF 자기장(H)은 밀폐된 반응 챔버(110) 내의 소스 가스에 순환하는 RF 전자 전류를 유도하여 플라즈마를 생성 및 유지시킬 수 있다.
이와 같이 생성된 플라즈마는 반응 챔버(110)의 일 측에 연결된 가스 공급 라인(111)으로부터 주입되는 소스 가스에 의해 가스 배출 라인(113) 방향으로 밀려 이동하고, 가스 배출 라인(113) 및 슬릿 부재(120)의 슬릿을 통해 방출될 수 있다.
RF 전원 소스(150)는 플라즈마 생성 코일(140)로 RF 전원을 인가할 수 있다. 본 실시 예에서 RF 전원은 약 50 kHz 내지 100 MHz의 범위 내에서 설정된 주파수 및 4000 W 이하의 범위에서 설정된 전력을 가질 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 다만, 페라이트 코어(130)의 재료 특성에 따라 호환 가능한 주파수로 설정되는 것이 요구될 수도 있다. 본 실시 예에서 RF 전원 소스(150)는 별도의 임피던스 정합기 없이 출력 전원의 제어가 가능한 무선 주파수 발생기를 사용하여 구성될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니며, 별도의 임피던스 정합기를 구비하도록 구성될 수도 있다.
추출 전극(160)은 반응 챔버(110)로부터 슬릿 부재(120)의 슬릿을 통해 양의 이온을 추출하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 추출 전극(160)에는 음(negative)의 바이어스 전압이 인가될 수 있다. 추출 전극(160)은 슬릿 부재(120)의 슬릿을 통해 추출된 이온들이 통과하는 개구부를 포함할 수 있으며, 이온들이 개구부를 통과하면서 이온 빔이 생성될 수 있다.
도 2에 도시되지는 않았으나, 이온 소스 헤드(100)는 슬릿 부재(120)와 추출 전극(160) 사이에 위치하는 억제 전극(미도시)을 더 포함할 수 있다. 억제 전극은 이온이 추출 전극(160)에 부딪혀 발생된 2차 전자가 이온 빔과 충돌하여 이온들을 중성화하는 것을 방지하고, 빔 경로를 이탈한 이온 빔으로부터 유도되는 2차 전자가 반응 챔버(110)로 역류하는 것을 방지하는 기능을 한다.
또한, 도 2에 도시되지는 않았으나, 플라즈마에 의해 발생하는 열에 의한 플라즈마 생성 코일(140)의 승온을 방지하기 위한 냉각 장치(미도시)를 더 포함할 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 실시 예들은 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.
10: 이온 주입 장치 100: 이온 소스 헤드
110: 반응 챔버 111: 가스 공급 라인
113: 가스 배출 라인 115: 슬릿 부재 체결부
120: 슬릿 부재 130: 페라이트 코어
140: 플라즈마 생성 코일 150: RF 전원 소스
160: 추출 전극 200: 질량 분석기
300: 이온 전송부 400: 엔드 스테이션

Claims (15)

  1. 이온화 공간을 제공하고, 일 측에서 분기되어 타 측에서 합류되는 분리된 제1 공간과 제2 공간을 갖는 반응 챔버;
    상기 반응 챔버의 상기 제1 공간 및 상기 제2 공간 내에 상기 반응 챔버로 공급된 소스 가스를 이온화하기 위한 유도 자장을 형성하도록 상기 제1 공간 및 상기 제2 공간을 감는 형태로 상기 제1 공간 및 상기 제2 공간 상에 각각 배치된 제1 플라즈마 생성 코일과 제2 플라즈마 생성 코일;
    상기 반응 챔버의 상기 제1 공간과 상기 제2 공간을 각각 감싸고 상기 제1 공간과 상기 제1 플라즈마 생성 코일 사이 및 상기 제2 공간과 상기 제2 플라즈마 생성 코일 사이에 배치되도록 상기 제1 공간 및 상기 제2 공간 상에 각각 장착되고, 서로 이격 배치된 제1 페라이트 코어와 제2 페라이트 코어; 및
    상기 제1 플라즈마 생성 코일 및 상기 제2 플라즈마 생성 코일과 직렬 연결되고, 상기 제1 및 제2 플라즈마 생성 코일들에 전력을 인가하는 전원 소스
    를 포함하는 이온 소스 헤드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응 챔버의 상기 일 측에 연결되고, 상기 반응 챔버 내에 소스 가스를 공급하는 가스 공급 라인; 및
    상기 반응 챔버의 상기 타 측에 연결되고, 상기 반응 챔버 내에서 이온화된 가스가 배출되는 가스 배출 라인
    을 더 포함하는 이온 소스 헤드.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제2항에 있어서,
    상기 가스 배출 라인의 말단부에 착탈 가능하게 결합되고, 상기 반응 챔버로부터 이온들이 방출되는 슬릿을 갖는 슬릿 부재를 더 포함하는 이온 소스 헤드.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가스 배출 라인의 말단부의 외부 표면 상에 구비되고, 상기 슬릿 부재가 체결되는 슬릿 부재 체결부를 더 포함하는 이온 소스 헤드.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 슬릿 부재와 평행하게 배치되고 상기 슬릿 부재를 통해 상기 반응 챔버로부터 상기 이온들을 추출하여 이온 빔을 생성하는 추출 전극을 더 포함하는 이온 소스 헤드.
  9. 전력을 인가 받아 유도 자장을 형성하고, 형성된 유도 자장에 의해 외부로부터 공급된 소스 가스를 이온화하고, 이온 빔을 제공하는 이온 소스 헤드;
    상기 이온 소스 헤드로부터 제공된 이온 빔을 구성하는 이온들 중 기판으로 주입하기 위한 특정 이온들을 선별하는 질량 분석기; 및
    선별된 상기 특정 이온들을 가속하여 상기 기판 방향으로 전송하는 이온 전송부를 포함하고,
    상기 이온 소스 헤드는,
    이온화 공간을 제공하고, 일 측에서 분기되어 타 측에서 합류되는 분리된 제1 공간과 제2 공간을 갖는 반응 챔버;
    상기 반응 챔버의 상기 제1 공간 및 상기 제2 공간 내에 상기 반응 챔버로 공급된 소스 가스를 이온화하기 위한 유도 자장을 형성하도록 상기 제1 공간 및 상기 제2 공간을 감는 형태로 상기 제1 공간 및 상기 제2 공간 상에 각각 배치된 제1 플라즈마 생성 코일과 제2 플라즈마 생성 코일;
    상기 반응 챔버의 상기 제1 공간과 상기 제2 공간을 각각 감싸고 상기 제1 공간과 상기 제1 플라즈마 생성 코일 사이 및 상기 제2 공간과 상기 제2 플라즈마 생성 코일 사이에 배치되도록 상기 제1 공간 및 상기 제2 공간 상에 각각 장착되고, 서로 이격 배치된 제1 페라이트 코어와 제2 페라이트 코어; 및
    상기 제1 플라즈마 생성 코일 및 상기 제2 플라즈마 생성 코일과 직렬 연결되고, 상기 제1 및 제2 플라즈마 생성 코일들에 전력을 인가하는 전원 소스를 포함하는 이온 주입 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제9항에 있어서,
    상기 반응 챔버의 상기 일 측에는 상기 소스 가스가 공급되는 가스 공급 라인이 연결되고, 및 상기 반응 챔버의 상기 타 측에는 상기 반응 챔버 내에서 이온화된 가스가 배출되는 가스 배출 라인이 연결되는 이온 주입 장치.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제9항에 있어서,
    상기 특정 이온들이 주입될 상기 기판이 배치되는 엔드 스테이션을 더 포함하는 이온 주입 장치.
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