전하 중화 장치{CHARGE NEUTRALIZATION DEVICE}
본 발명은 전하 중화 장치에 관한 것으로, 특히 반도체 제조 프로세스에 있어서, 반도체 기판에 불순물층을 형성할 때에 이용되는 이온 주입 장치 등에 이용되는 전하 중화 장치 및 그를 이용하여 제조되는 반도체 장치, 이들 반도체 장치를 탑재한 액정 패널 등의 전자 소자에 관한 것이다.
종래의 반도체 제조 기술에서는 붕소(B), 인(P), 비소(As) 등의 각종 도전형의 불순물을 고체 기체로서의 반도체 기판 표면에 이온 주입을 수행하는 방법이 널리 이용되고 있다. 이온 주입 프로세스 등에 이용되는 빔 라인형 이온 주입기에서는 웨이퍼 상의 디바이스의 차지 파괴를 막기 위하여, 또한 이온 빔의 공간 전하 효과에 의한 빔의 발산을 막기 위하여, 저에너지의 전자를 빔 플라즈마 중 또는 웨이퍼 표면상에 공급함으로써 전하의 축적을 완화하는 전하 중화 장치가 많이 이용되고 있다. 도 10은 이온 주입 장치 중에서도 대전류 이온 주입기라 불리고 있는, 메커니컬 스캔 방식의 종래 장치의 일례를 나타내는 개략도이다. 이 이온 주입 장치(1)는 크게 세 개로 나뉘는데, 각각 이온원부(2), 빔 라인부(3), 엔드 스테이션부(4)이다. 이온원부(2)는 아크 방전에 의해 고밀도 플라즈마를 생성하는 이온원(5)과 이온을 정전기적으로 끌어내어 가속하는 인출 전극계(6)로 구성되어 있다. 빔 라인부(3)는 이온원부(2)로부터 출사된 이온빔(7)으로부터 필요한 도펀트 이온만 선택하는 자기장 편향형의 질량 분석기(8)와, 이온 빔(7)의 형상을 조정하는 성형 슬릿(9)이나 분석 마그넷의 초점에 위치하여 필요로 하는 도펀트 이온을 선택하기 위한 분석 슬릿(10)으로 이루어진다. 엔드 스테이션부(4)는 빔 전류를 계측하는 패러데이 케이지(11)와 빔 캐치(12), 반도체 기판(13)을 재치하여 이온 빔(7)이 기판에 균일하게 주입되도록 스캔하는 디스크(14), 그리고 전하 중화 장치로서 작용하는 전자총(15)으로 이루어진다. 이와 같이 구성된 이온 주입 장치를 이용하여 다음과 같이 이온 주입이 수행된다. 먼저, 이온원(5)에 필요한 도펀트 가스 또는 고체 증기를 이용하여 고밀도 플라즈마를 생성한다. 이어서, 인출 전극계(6)로 이온을 끌어냄과 동시에 원하는 가속 에너지를 부여한다. 가속된 이온 빔(7)은 질량 분석기(8)에서 필요한 도펀트 이온으로 선택되고, 성형 슬릿(9)이나 분석 슬릿(10)으로 이온 빔의 형상을 조절하여 타겟은 유도된다. 한편, 기판(13)은 디스크(14)로 반송되어 소정 위치에 재치된다. 이때, 기판(13)은 통상 다수 개 배치된다. 다음으로, 초기 위치에 있던 디스크(14)가 도면의 A와 같이 소정 회전수로 회전함과 동시에 병진 운동(B)이 수행된다. 이러한 방식을 메커니컬 스캔 방식이라 하며, 이로 인해 다수의 기판(13) 전체면에 이온 주입이 수행된다. 또한, 병진 운동은 주입 균일성을 좋게 하기 위하여 여러 번 수행된다. 그런데 이 이온 주입이 수행될 때, 기판(13) 상에는 통상 이미 게이트 전극 의 패턴이 형성되어 있다. 도 11에 패터닝된 상태의 일례를 나타낸다. 도 11은 기판(23(13))이 예를 들어 P형이며, 이 기판(13)의 주면상에 두꺼운 필드 절연막(20)이 형성되고, 이들 절연막(20) 사이에 있는 활성 영역의 일부에 게이트 절연막이 되는 얇은 절연막(21)이 형성되고, 이 얇은 산화막(21) 상에 게이트 전극(22)이 형성되어 있다. 이 상태에서 이온 주입을 수행함으로써 게이트 전극(22)의 양측의 기판(13) 상에 소스 드레인이 되는 불순물 영역을 형성하는 것이다. 이 경우, 소스 드레인을 N형으로 형성하기 위하여 이온 빔(7)은 예를 들면 인, 비소 등의 이온 빔이 된다. 이와 같이 절연막 상에 이온 주입을 수행하는 경우, 특히 1mA 이상의 빔 전류로 이온 주입할 때에는 게이트 절연막(21)의 절연 파괴가 발생할 가능성이 커진다. 이 절연 파괴를 방지하기 위하여, 종래에는 도 12에 나타내는 바와 같은 전하 중화 장치를 이용하였다. 이 전하 중화 장치의 작용은 전자총(15)으로부터 방출되는 일차 전자를 300V 정도의 전계로 가속하여 대면하는 패러데이 케이지(11)에 조사하여 이차 전자(23)를 발생시킨다. 이 이차 전자(23)의 일부가 기판(13)에 공급되어 게이트 전극(22) 상에 축적된 정전하를 중화한다. 이와 같이 하여, 게이트 절연막(21)의 절연 파괴를 방지할 수 있다. 이와 같이, 종래 일반적으로 사용되고 있는 전하 중화 장치에서는 전자원 또는 플라즈마원을 빔 라인 상의 일측면으로부터 빔에 근접시키는 형태로 설치하고, 거기에서 나오는 전자 흐름을 빔 및 빔 플라즈마에 중합시키는 방식을 이용하고 있다. 그러나 이러한 방법에서는 전자원에 가까운 측에서는 전하 중화 효과가 나타나도 그 반대측(전자원으로부터 가장 먼 쪽)까지 효과가 미치지 않는다는 현상이 발생하기 쉬워, 디바이스의 차지 파괴나 빔의 발산을 일으키게 된다. 또한, 빔을 스캔하는 타입의 이온 주입기에서는 공급하는 전자 흐름과 빔 플라즈마와의 커플링 효과가 좋지 않았으므로, 종래의 전하 중화 장치에서 고전류의 이온 주입을 실현하는 것은 극히 어려웠다. 또한, 상기의 이온 주입 장치에서는 상술한 바와 같이 전자총(15)에서 방출한 일차 전자의 조사에 의해 패러데이 케이지(11) 표면에서 발생하는 이차 전자(23)로 게이트 전극(22) 상에 축적된 양전하를 중화하는 것이지만, 일차 전자의 일부도 반사에 의해 기판(13)에 도달한다. 이 때문에 300eV의 에너지를 갖는 고속 전자가 기판(13)을 음으로 차지업시켜 음전하에 의한 절연 파괴를 일으키고, 또한 절연 파괴에 이르지는 않더라도 게이트 절연막(22)을 열화시킨다는 문제점이 있었다. 이에 대하여, 도 13 및 도 14에 나타내는 바와 같이 피처리 기판의 전면에 플라즈마로부터 전자를 끌어내는 인출 전극과, 이 인출 전극에 의해 끌어 내어진 전자를 감속하는 감속 전극을 가지고, 에너지가 50eV 이하의 전자를 공급하는 자기 다극형 플라즈마 발생기를 설치하도록 한 전하 중화 장치가 개시되어 있다(일본 특허 공표 평8-21361). 이에 따르면, 자기 다극형 플라즈마 발생기를 전자 소스로 하고 있으며, 이 자기 다극형 플라즈마 발생기는 플라즈마 내에 자기장이 없는 Cusp 자기장을 형성하고 있기 때문에, 자기장을 인가하는 것만으로 전자 온도가 수 eV인 고밀도 플라즈마를 용이하게 끌어낼 수 있다. 이 저에너지 전자를 타겟이 되는 반도체 기판 전면에 공급하여 전자 구름을 발생시킨다. 이 때문에 반도체 기판 상의 양으로 대전한 부분에만 전자가 공급되어 전하 중화를 수행할 수 있다. 이 때문에, 이온 주입 조건이나 디바이스 조건에 의해 차지업량이 다른 경우에도 최적의 전하 중화를 수행할 수 있다고 여겨지고 있다. 또한, 자기 다극형 플라즈마 발생기를 설치함으로써, 대면적이고 균일한 전자 구름을 생성할 수 있다고 여겨지고 있다.
도 12에 나타내어진 종래의 전하 중화 장치를 갖는 이온 주입 장치에서는 상술한 바와 같이 300eV의 에너지를 갖는 고속 전자가 기판(13)을 음으로 차지업시켜, 음전하에 의한 절연 파괴를 일으키고, 또한 절연 파괴에 이르지는 않더라도 게이트 절연막(22)을 열화시킨다는 문제점이 있었다. 또한, 전자원에 가까운 측에서는 전하 중화 효과가 작용하여도 그 반대측(전자원으로부터 가장 먼 쪽)까지 효과가 미치지 않는다는 현상이 발생하기 쉬워, 디바이스의 차지 파괴나 빔의 발산을 일으키게 된다. 또한, 빔을 스캔하는 타입의 이온 주입기에서는 공급하는 전자 흐름과 빔 플라즈마와의 커플링 효과가 좋지 않았으므로, 종래의 전하 중화 장치에서 고전류의 이온 주입을 실현하는 것은 극히 곤란하였다. 한편, 도 14에 나타내어진 바와 같이 에너지가 50eV 이하인 전자를 공급하는 자기 다극형 플라즈마 발생기를 설치한 전하 중화 장치를 갖는 이온 주입 장치에서는 상기 과제는 어느 정도 해결되며, 또한 대면적이고 균일한 전자 구름을 생성할 수 있었다. 그러나 디바이스의 집적도의 증가와 함께, 차지 파괴에 대한 허용 전압은 감소하고 동시에 이온 주입의 저에너지화와 함께 빔에 대한 공간 전하 효과가 증대하기 때문에, 전하 중화 장치에는 성능의 향상이 한층 더 요구되고 있다. 상기의 전하 중화 장치에서는 특히 내압 1V 이하가 요구되는 최선단 디바이스에서는 충분한 효과를 얻을 수 없다는 과제가 있었다. 본 발명은 상기 실정을 감안하여 이루어진 것으로서, 5eV 이하 바람직하게는 2eV 수준의 저에너지의 전자를 공급함으로써 최선단 디바이스에 대해서도 이온 주입에 의한 차지업과 전자에 의한 데미지를 없애는 동시에, 대면적의 기판(13)에 대응할 수 있는 전하 중화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 전하 중화 장치는 마이크로파 발생수단과, 상기 마이크로파 발생수단에서 발생된 마이크로파에 의해 전자 플라즈마를 발생하는 플라즈마 생성수단과, 상기 플라즈마 생성수단에서 생성된 플라즈마 중의 전자를 이온 빔을 포함하는 빔 플라즈마 영역에 접촉시키는 접촉수단을 구비한 것을 특징으로 한다. 이러한 구성에 의해, 마이크로파에 의해 플라즈마를 발생하도록 하고 있기 때문에 저압이며 고밀도인 플라즈마를 효율적으로 발생시키고, 그로부터 저에너지의 전자를 끌어낼 수 있다. 이 장치는 통상 이용되고 있는 직류 방전 플라즈마 또는 RF 플라즈마 등에 비해 대폭으로 저에너지의 플라즈마를 얻을 수 있으므로 극히 유효한 전하 중화 수단이다. 또한, 본 발명의 전하 중화 장치는 상기 접촉수단이 이온 빔을 링 형상으로 둘러싸는 플라즈마 튜브를 갖는 것을 특징으로 한다. 이로 인해, 이온 빔을 둘러싸는 모든 방향으로부터 전자를 공급할 수 있어, 전하 중화의 위치에 따른 불균일을 대폭 저감할 수 있다. 또한, 본 발명의 전하 중화 장치는, 이온 빔의 형상 또는 상기 이온 빔의 스캔 영역에 맞추어, 상기 이온 빔 또는 상기 스캔 영역의 외주를 둘러싸는 구성의 플라즈마 튜브를 갖는 것을 특징으로 한다. 이로 인해, 이온 빔의 형상이나 스캔 영역이 복잡한 형상을 하고 있어도, 전하 중화의 위치에 따른 불균일을 대폭 저감할 수 있다. 또한, 본 발명의 전하 중화 장치는 상기 플라즈마 튜브의 외측을 둘러싸는 형상의 도파관을 배치하여 마이크로파를 도입함으로써, 상기 플라즈마 튜브 내에 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 한다. 이로 인해, 플라즈마 튜브 내에 균일하게 플라즈마를 발생시키기 쉬우므로 바람직하다. 본 발명의 전하 중화 장치는 상기 플라즈마 생성수단이 동축 케이블인 것을 포함한다. 본 발명의 전하 중화 장치는, 상기 도파관과 상기 플라즈마 튜브는 상기 도전 튜브에 대하여 맞닿도록 함께 배치된 것을 포함한다. 이 구성에 따르면 진행파 플라즈마를 생성할 수 있다. 또한, 본 발명의 전하 중화 장치는 상기 플라즈마 튜브 내에 가스를 공급하여 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 한다. 이로 인해, 고효율의 플라즈마 조사를 실현할 수 있다. 또한, 상기 플라즈마 발생용 가스의 종류는 희가스 등의 불활성 가스인 것을 특징으로 한다. 이로 인해, 반도체 등의 타겟에 미치는 영향을 거의 무시할 수 있는 수준으로 할 수 있다. 또한, 본 발명의 전하 중화 장치는, 상기 플라즈마 튜브와 상기 도파관 사이에 각각 위치를 일치시킨 하나 또는 다수의 슬릿을 갖는 것을 특징으로 한다. 이로 인해, 슬릿으로부터 마이크로파를 전파시킴으로써 저압이며 고밀도의 플라즈마를 튜브 내에 발생시킬 수 있어 바람직하다. 또한, 본 발명의 전하 중화 장치는 상기 플라즈마 튜브의 빔에 근접하는 측에 다수의 슬릿 또는 개구부를 갖는 것을 특징으로 한다. 이로 인해, 빔 등에 균일하게 전자를 공급하기 쉬워져 전하 중화의 균일성을 얻기 쉬우므로 바람직하다. 또한, 본 발명의 전하 중화 장치는 상기 도파관이 상기 도파관 중의 마이크로파 전달 방향의 하류측에서 상류측을 향해 상기 플라즈마 튜브로의 가스 공급이 이루어지도록 구성되는 것을 포함한다. 이러한 구성에 의해, 마이크로파의 감쇠부에 대해 많은 가스 공급이 이루어지기 때문에, 보다 고효율이며 균일한 플라즈마 생성이 가능하게 된다. 또한, 본 발명의 전하 중화 장치는 마이크로파 여기에 의해 플라즈마를 발생시켜, 상기 이온 빔을 포함하는 빔 플라즈마 중에 전자를 공급하는 것을 포함한다. 또한, 본 발명의 전하 중화 장치는 마이크로파 여기에 의해 플라즈마를 발생시켜, 이온 빔 중, 이온 빔을 포함하는 빔 플라즈마 중, 고체 기체 근방 중 적어도 하나에 전자를 공급하는 것을 특징으로 한다. 빔이나 빔 플라즈마뿐만 아니라, 반도체 기판 등의 고체 기체의 차지업을 중화할 수 있다. 또한, 본 발명의 전하 중화 장치는 마이크로파 여기에 의해 저온 플라즈마를 유지하고, 그에 의해 저에너지의 전자를 대량으로 공급하는 것을 특징으로 한다. 이로 인해, 저에너지로 높은 빔 전류의 이온 주입을 이용한 미세 디바이스의 프로세스 등에도 대응할 수 있다. 또한, 본 발명의 전하 중화 장치는 마이크로파의 정재파(定在波; stationary wave)를 도파관 내에 발생시켜 플라즈마를 생성시키는 것을 특징으로 한다. 정재파를 만듦으로써 안정된 플라즈마를 효율적으로 발생시킬 수 있기 때문에, 효율적으로 안정된 전하 중화 기능을 유지할 수 있어 바람직하다. 본 발명의 전하 중화 장치를 탑재한 이온 주입 장치는 반도체 웨이퍼의 대형화에 대응하여 전하 중화의 균일성을 유지하면서, 5eV 또는 2eV 정도 이하의 저에너지의 전자를 공급할 수 있기 때문에 상당히 유효하다. 마찬가지로 본 발명의 전하 중화 장치를 탑재한 빔 라인 장치에도 유효하다는 것은 명백하다. 본 발명의 전하 중화 장치, 이온 주입 장치, 빔 라인 장치를 이용하여 수율 좋게 내압 1V 이하의 반도체 디바이스를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 마이크로파 플라즈마는 오프 ECR(off ECR)로 생성시키는 것을 또 다른 특징으로 한다. 그 이유는 ECR 모드에서는 플라즈마 중에 발생되는 전자의 에너지가 높아지기 때문에, 저에너지 전자에 의해 디바이스의 정전 파괴를 방지한다는 목적에 적합하지 않기 때문이다. 이에 대하여, 오프 ECR 모드에서는 플라즈마 밀도는 높게 유지하면서 전자 에너지는 낮게 할 수 있게 되어 웨이퍼의 전하 중화를 위하여 최적인 특징을 가질 수 있다. ECR 모드에서는 마이크로파를 도입할 때에, 전자에 그 마이크로파의 주파수와 같은 값의 사이클로트론 주파수를 갖는 자기장이 인가됨으로써, 전자의 에너지를 효율적으로 증가시키게 되기 때문에, 본 발명에서는 플라즈마를 발생시키는 시스템이 ECR 조건을 만족하지 않도록 설정하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 예를 들면 2.45GHz의 마이크로파를 사용한 경우, 그와 동등한 사이클로트론 주파수를 전자에 부여하는 자기장 강도는 875Gauss이기 때문에, 시스템 중에 875Gauss의 자기장을 존재시키지 않도록 하는 것이 바람직하다. 따라서 자기장을 이용하는 경우에는 마그넷이 부여하는 자기장 강도는 ECR 포인트를 벗어나도록 설정한다. 현실에서는 Cusp 자기장을 사용할 때의 자기장 강도는 대략 500Gauss 이하의 약한 자기장이기 때문에 문제가 되는 일은 없다.
도 1은 본 발명 제1 실시예의 전하 중화 장치의 이온 빔에 평행한 방향으로의 단면 개요도. 도 2는 본 발명 제1 실시예의 전하 중화 장치의 이온 빔에 수직인 방향으로의 단면 개요도. 도 3은 본 발명 제2 실시예의 전하 중화 장치의 이온 빔에 평행한 방향으로의 단면 개요도. 도 4는 본 발명 제2 실시예의 전하 중화 장치의 이온 빔에 수직인 방향으로 의 단면 개요도. 도 5는 본 발명 제2 실시예의 전하 중화 장치의 이온 빔에 수직인 방향으로의 단면 개요도. 도 6은 본 발명 제3 실시예의 전하 중화 장치의 이온 빔에 수직인 방향으로의 단면 개요도. 도 7은 본 발명 제4 실시예의 전하 중화 장치의 이온 빔에 수직인 방향으로의 단면 개요도. 도 8은 본 발명 제5 실시예의 전하 중화 장치의 이온 빔에 수직인 방향으로의 단면 개요도. 도 9는 본 발명 제6 실시예의 전하 중화 장치의 사시도. 도 10은 종래의 이온 주입 장치의 구성을 나타내는 개략도. 도 11은 반도체 기판으로의 이온 주입을 설명하는 도면. 도 12는 종래의 전하 중화 장치를 나타내는 설명도. 도 13은 종래의 이온 주입 장치의 구성을 나타내는 개략도. 도 14는 종래의 전하 중화 장치를 나타내는 설명도. (도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명) IB 이온 빔 P 빔 플라즈마 100 도전 튜브 101 플라즈마 튜브 102 도파관 103 웨이퍼 지지대 104 마그네트론 106 슬릿 107 개구부 108 제 2 전원 109 제 1 전원 110 Cusp 마그넷 120 Cusp 마그넷 130 Cusp 마그넷 113 실리콘 웨이퍼 1 이온 주입 장치 2 이온원부 3 빔 라인부 4 엔드 스테이션부 5 이온원 6 인출 전극계 7 이온 빔 8 질량 분석기 9 성형 슬릿 10 분석 슬릿 11 패러데이 케이지 13 기판 14 디스크 15 전자총 20 필드 절연막 21 게이트 절연막 22 게이트 전극 23 2차 전자 31 전자 소스 40 아크 챔버 41 음극 42 영구 자석 43 가스 봄베 44 가스 도입구 45 인출 전극 46 감속 전극 47 진공 펌프
다음으로, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다. (제1 실시예) 본 실시예의 전하 중화 장치는 도 1에 단면 개요도, 도 2에 도 1의 AA 단면 개요도로 나타낸 바와 같이, 도시하지 않은 플라즈마 발생기로부터 공급되는 이온 빔(IB)을 포함하는 빔 플라즈마(P)를 웨이퍼 지지대(103)에 재치된 피처리 기판인 실리콘 웨이퍼(113)에 조사함으로써, 실리콘 웨이퍼의 차지업을 방지하는 것이다. 이러한 전하 중화 장치는 이온 빔(IB)의 통과 경로가 되는 도전 튜브(100)의 소정의 위치에서 이 도전 튜브의 관 축과 수직인 면 내에서 외주를 둘러싸도록 배치된 플라즈마 튜브(101)와, 이 플라즈마 튜브(101)의 외측을 둘러싸도록 배치된 도파관(102)을 구비하고, 이 플라즈마 튜브(101) 내에서 전자 플라즈마를 생성하여 이 전자 플라즈마에 의해 이온 빔(IB)을 에워싸는 빔 플라즈마(P)의 전자 부족을 동시 진행적으로 보충함으로써 차지업을 방지하도록 구성되어 있다. 이 장치에서는 마이크로파 발생수단으로서의 마그네트론(104)으로부터 도파관(102)을 통하여 플라즈마 튜브(101) 내에 마이크로파를 도입함과 동시에 플라즈마 튜브(101) 내에 가스를 공급함으로써 플라즈마 튜브(101) 내에 전자 플라즈마를 발생시켜, 이온 빔(IB)으로 구성되는 계 내에 전자 부족이 발생하여 플러스로 차지업되면, 플라즈마 튜브(101)의 내벽에 설치된 개구부(107)를 통해 전자(플라즈마)를 공급하여 이온 빔(IB)의 전하가 중화된다. 여기에서 마그네트론(104)으로부터 도파관(102)을 통과해 온 마이크로파는 도파관(102)과 플라즈마 튜브(101)가 맞닿는 면에 설치된 슬릿(106)을 통하여 플라즈마 튜브 내에 도입되고, 플라즈마 튜브(101)의 플라즈마 흐름에 대하여 하류측에 설치된 가스 공급구(105)로부터 공급된 가스를 이온화하여 전자 플라즈마를 생성한다. 그리고 플라즈마 튜브(101) 내의 전자는, 내측의 도전 튜브 내로 개구하는 개구부(107)를 통하여 빔 플라즈마(P)에 공급된다. 이 도전 튜브(100) 표면의 전위(Vc)는 제 1 전원(109)에 의해 0~10V 범위에서 변경 가능하다. 이 도파관(102) 표면의 전위(Vg)는 제 2 전원(108)에 의해 0~100V 범위에서 변경 가능하다. 그리고 이온 빔(P)계 내에 전자 부족이 발생하면, 순식간에 그것을 보충하기 위하여 플라즈마 튜브(101)로부터 전자가 유입된다. 이 전자의 유입량은 Vc와 Vg를 조정함으로써 조정 가능하다. 이와 같이, 전자는 빔 플라즈마 중에서 아주 조금이라도 적어지면 순식간에 개구부(107)를 통하여 빔 플라즈마 중에 공급되도록 구성된다. 다음으로, 이 전하 중화 장치를 이용하여, 게이트 산화막이 형성된 실리콘 웨이퍼 표면에 게이트 전극을 마스크로 하여 이온 주입을 수행하는 이온 주입 방법에 대하여 설명한다. 먼저, 기판 지지대(103)에 피처리 기판(113)으로서 게이트 산화막 및 게이트 전극이 형성된 실리콘 웨이퍼를 재치한다. 그리고 이온 빔을 포함하는 빔 플라즈마(P)를 실리콘 웨이퍼 상에 조사한다. 이때 빔 플라즈마는 웨이퍼 차징이 발생하지 않는 안정된 정상 상태에서는 양의 이 온과 음의 전자 사이에서 전하가 거의 중화 상태로 유지된다(Plasma nuetrality라 한다). 그러나 이 예와 같이 실리콘 웨이퍼 상에 FET와 같은 절연성막을 구비한 디바이스가 형성되고 표면에 게이트 산화막과 같은 절연성막이 포함된 경우, 이온 빔에 의해 운반되는 전하에 의해 차징이라고 불리는 현상이 발생된다. 이와 같이, 웨이퍼상의 차징이 절연성막의 내압 한계를 넘으면 디바이스가 파괴되기 때문에, 그것을 방지하기 위하여 웨이퍼 상의 양전하를 음의 전자 전하에 의해 중화할 필요가 생긴다. 이때, 전자의 에너지가 높으면 전자에 의한 음의 차징에 의해 역시 디바이스의 정전 파괴를 일으킬 수 있기 때문에, 전자의 에너지는 디바이스의 내압 한계보다 낮아야만 한다. 예를 들면, 막두께 1nm의 게이트 절연막의 경우 내압 한계는 약 1V 이하이다. 실리콘 웨이퍼에 빔에 의한 양의 차징이 일어나면, 먼저 근방의 빔 플라즈마 중에 존재하는 저에너지의 플라즈마 전자가 웨이퍼 상의 양전하 부위로 흘러들어가 차지를 중화한다. 이로 인해 빔 플라즈마의 전하 중화 상태가 무너져 양으로 치우치게 된다. 그리고 이 상태가 더 진행되면 빔 플라즈마가 파괴되어 빔 중의 전위가 극히 높아져 웨이퍼 상의 차징 파괴가 진행되고, 빔도 자신의 양전하에 의해 발산되어 버려 이온 주입은 불가능해진다. 이러한 상태를 피하기 위하여, 양의 차징이 일어나면 플라즈마 튜브로부터 저에너지의 전자가 동시 진행적으로 빔 플라즈마 계 내로 공급됨으로써, 웨이퍼의 차징을 방지함과 동시에 빔 플라즈마를 항상 중화 상태로 유지하여, 안정되고 디바이스 수율이 높은 이온 주입 프로세스를 유지하게 된다. 그 때, 웨이퍼로의 전자 흐름의 총합을 디바이스나 프로세스의 조건에 따라 제어할 수 있기 때문에, 몇 가지의 컨트롤 파라미터를 사용할 수 있다. 그 하나는 도전 튜브 상에 인가하는 음전압으로서, 전압을 더욱 음으로 함으로써 웨이퍼로의 전자 흐름을 증가시킨다. 또 하나는 플라즈마 튜브 자체, 또는 플라즈마 튜브 내에 띄운 도체에 인가하는 음전압으로서, 전압을 더욱 음으로 함으로써 웨이퍼로의 전자 흐름을 증가시킨다. 또 다른 하나는 도파관 중을 전파시키는 마이크로파의 강도로서, 강도를 높임으로써 플라즈마 튜브 내의 프라즈마 밀도를 높여 전자의 절대량을 증가시킨다. 이와 같이, 본 발명에 따르면, 빔 플라즈마 중에서 전자가 피처리 기판(웨이퍼; 113) 상으로 끌어 당겨져, 전자가 부족한 상태가 되면, 플라즈마 튜브로부터 저에너지의 전자가 동시 진행적으로 빔 플라즈마 계 내에 공급됨으로써, 웨이퍼의 차징을 방지함과 동시에, 항상 빔 플라즈마의 중화 상태를 유지하여 안정되고 디바이스 수율이 높은 이온 주입 프로세스를 유지할 수 있다. (제2 실시예) 상기 제1 실시예에서는 도전 튜브의 관 축과 수직인 면 내에서 외주를 둘러 싸도록 배치된 플라즈마 튜브(101)와, 이 플라즈마 튜브(101)의 외측을 둘러싸도록 배치된 도파관(102)을 구비하고, 이 플라즈마 튜브(101) 내에서 전자 플라즈마를 생성하는 것에 대하여 설명하였으나, 본 실시예의 전하 중화 장치는 도 3에 단면 개요도, 도 4 및 도 5에 도 3의 AA 단면 개요도 및 BB 단면도로서 설명된다. 본 실시예에서는 기본적으로는 도전 튜브(100)를 둘러싸도록 플라즈마 튜브(101)와 도파관(102)이 함께 배치된 점에서 상기 제1 실시예와 다르다. 이 예에서는 진행파에 의한 플라즈마 여기를 수행하고 있다. 또한, 이 경우 바이어스를 조정하기 위한 전위는 플라즈마 튜브(101) 내에 배치된 바이어스 와이어(110)를 통하여 제 2 전원(108)으로부터 공급된다. 다른 것에 대해서는 기본적으로는 제1 실시예와 동일하게 형성되어 있다. 이 경우에 있어서, 도 8에 나타낸 바와 같은 실리콘 웨이퍼에 소스 드레인 형성을 위한 이온 주입을 수행한 경우에도 차지업이 억제되어 효율적으로 이온 주입이 이루어지기 때문에, 1nm 정도의 얇은 게이트 절연막을 갖는 FET의 경우에도 절연 파괴가 억제되어 2eV 이하의 내압의 FET에 대해서도 절연 파괴 없이 고수율로 FET를 얻을 수 있게 된다. 이러한 전하 중화 장치는 이온 빔(IB)의 통과 경로가 되는 도전 튜브(100)의 소정의 위치에서 이 도전 튜브의 관 축과 수직인 면 내에서 외주를 둘러싸도록 배치된 플라즈마 튜브(101)와, 이 플라즈마 튜브(101)의 외측을 둘러싸도록 배치된 도파관(102)을 구비하고, 이 플라즈마 튜브(101) 내에서 전자 플라즈마를 생성하여, 이 전자 플라즈마에 의해 이온 빔(IB)을 에워싸는 빔 플라즈마(P)의 전자 부족 을 동시 진행적으로 보충함으로써 차지업을 방지하도록 구성되어 있다. 이 장치에서는 마이크로파 발생수단으로서의 마그네트론(104)으로부터 도파관(102)을 통하여 플라즈마 튜브(101) 내에 마이크로파를 도입함과 동시에 플라즈마 튜브(101) 내에 가스를 공급함으로써 플라즈마 튜브(101) 내에 전자 플라즈마를 발생시켜, 이온 빔(IB)으로 구성되는 시스템 내에 전자 부족이 발생하여 플러스로 차지업되면, 플라즈마 튜브(101)의 내벽에 설치된 개구부(107)를 통하여 전자(플라즈마)를 공급하여 이온 빔(IB)의 전하를 중화시킨다. 여기에서 마그네트론(104)으로부터 도파관(102)을 통과해 온 마이크로파는 도파관(102)과 플라즈마 튜브(101)가 맞닿는 면에 설치된 슬릿(106)을 통하여 플라즈마 튜브 내에 도입되고, 플라즈마 튜브(101)의 플라즈마 흐름에 대하여 하류측에 설치된 가스 공급구(105)로부터 공급된 가스를 이온화하여 전자 플라즈마를 생성한다. (제3 실시예) 상기 제2 실시예에서는 진행파에 의한 플라즈마 여기를 수행하는 예에 대하여 설명하였으나, 정재파를 이용하는 경우에도 유효하다. 이 경우, 도 6에 빔에 수직인 방향으로의 단면도를 나타내는 바와 같이 도파관(102)이 정재파를 형성할 수 있도록 폐관 구조를 취하는 점이 다를 뿐, 다른 것은 제2 실시예와 동일하다. 빔에 평행한 방향으로의 단면도는 도 3에 나타낸 것과 동일하다. 본 실시예에서는 기본적으로는 도전 튜브(100)를 둘러싸도록 플라즈마 튜 브(101)와 도파관(102)이 함께 배치되고, 정재파에 의한 플라즈마 여기를 수행하고 있다. (제4 실시예) 본 실시예에서는 도 7에 나타내는 바와 같이, Cusp 자기장을 생성하는 Cusp 마그넷(110)을 플라즈마 튜브(102)의 측면에 설치한 것을 특징으로 한다. Cusp 마그넷(110)은 플라즈마 튜브(102)의 측면의 양쪽 또는 한쪽에 배치되어도 무방하다. 이 경우에도, 도 7에 빔에 수직인 방향으로의 단면도에서 나타내는 바와 같이 Cusp 마그넷을 설치한 점이 다를 뿐, 다른 것은 상기 제2 실시예와 동일하다. 빔에 평행한 방향으로의 단면도는 도 3에 나타낸 것과 동일하다. 구체적으로는 플라즈마 튜브를 구성하는 도파관(102)의 측면에 소정의 간격으로 자기장 방향을 역으로 한 자석을 번갈아 설치하여 플라즈마 튜브(101) 내에 Cusp 자기장을 발생시킨다. 그리고 이 Cusp 자기장에 기인한 자기장 구배 및 이로 인해 초래되는 자기력에 의해 저에너지의 전자를 플라즈마 튜브 내에 고밀도로 가둬두도록 한다. 또한, 여기에서 이용하는 Cusp 자기장은 자기장 강도 자체가 500 Gauss 이하의 약한 자기장이기 때문에, ECR 포인트는 저절로 벗어나게 되어 문제는 없지만, 본 발명에서는 플라즈마 밀도를 높게 하면서 전자 에너지 밀도를 높이기 위하여, ECR 조건을 벗어나도록 자기장 강도를 설정할 필요가 있다. 본 실시예서는 기본적으로 도전 튜브(100)를 둘러싸도록 플라즈마 튜브(101)와 도파관(102)이 함께 배치되고, 정재파에 의한 플라즈마 여기를 수행하고 있다. (제5 실시예) 상기 제4 실시예에서는 Cusp 마그넷(120)을 플라즈마 튜브(102)의 측면에 배치하였으나, 본 실시예에서는 Cusp 마그넷(120)을 플라즈마 튜브(102)의 외주면 상에 설치한 것을 특징으로 한다. 즉 본 실시예에서는 도 8에 나타내는 바와 같이, Cusp 자기장을 생성하는 Cusp 마그넷(120)을 플라즈마 튜브(102)의 외주면 상에 설치한 것을 특징으로 한다. 이 경우에도 도 8에서 빔에 수직인 방향으로의 단면도로 나타내는 바와 같이 Cusp 마그넷을 설치한 점이 다를 뿐, 다른 것은 상기 제2 실시예와 동일하다. 빔에 평행한 방향으로의 단면도는 도 3에 나타낸 것과 동일하다. 구체적으로는 플라즈마 튜브를 구성하는 도파관(102)의 외주면에 소정의 간격으로 자기장 방향을 역으로 한 자석을 번갈아 설치하여 플라즈마 튜브(101) 내에 Cusp 자기장을 발생시킨다. 그리고 이 Cusp 자기장에 기인한 자기장 구배 및 이로 인해 초래되는 자기력에 의해 저에너지의 전자를 플라즈마 튜브 내에 고밀도로 가둬두도록 한다. (제6 실시예) 상기 제4 실시예, 5에서는 Cusp 마그넷(110 또는 120)을 플라즈마 튜브(102)의 측면 또는 외주면에 설치하였으나, 본 실시예에서는 Cusp 마그넷(130)을 내측과 외측에서 플라즈마 튜브(102)를 사이에 끼우도록 설치한 것을 특징으로 한다. 즉, 본 실시예에서는 도 9에 나타내는 바와 같이, Cusp 자기장을 생성하는 Cusp 마그넷(130)을 플라즈마 튜브(102)의 내주면과 외주면 상에 설치한 것을 특징으로 한다. 이 경우에도, 도 9에 사시도로 나타내는 바와 같이 Cusp 마그넷을 설치한 위치가 다를 뿐, 다른 것은 상기 제2 실시예와 동일하다. 빔에 평행한 방향으로의 단면도는 도 3에 나타낸 것과 동일하다. 구체적으로는 플라즈마 튜브를 구성하는 도파관(102)의 내주 및 외주면에 소정의 간격으로 자기장 방향을 역으로 한 자석을 번갈아 설치하여 플라즈마 튜브(101) 내에 Cusp 자기장을 발생시킨다. 그리고 이 Cusp 자기장에 기인한 자기 구배 및 이로 인해 초래되는 자기력에 의해 저에너지의 전자를 플라즈마 튜브 내에 고밀도로 가둬두도록 한다. 상기 제1 실시예 내지 6에서는 도파관을 이용한 플라즈마 발생장치에 대하여 설명하였으나, 도파관에 한정되는 것이 아니라 동축 케이블을 이용하여 플라즈마 여기를 수행하도록 한 것에 대해서도 적용 가능하다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면 저에너지이며 고밀도인 플라즈마를 생성할 수 있다. 또한, 본 발명의 전하 중화 장치, 이온 주입 장치, 빔 라인 장치를 이용하여 내압 1V 이하의 반도체 디바이스를 높은 신뢰도로 제조할 수 있다. 마찬가지로, 본 발명의 전하 중화 장치, 이온 주입 장치, 빔 라인 장치를 이용하여 제조한 전자 디바이스 등의 피처리물은 전하 중화가 유효하게 되어 있어 신 뢰성이 높으므로 장기간 사용이나 우주 개발용 로켓 등, 특별히 높은 신뢰성을 요하는 용도에 유효하다. 본 발명은 저에너지의 전자를 효율적으로 균일하게 공급하여 이온 주입에 의한 차지업과 전자에 의한 데미지, 저에너지 이온 빔의 공간 전하를 효과적으로 중화할 수 있어, 대면적의 기판에 대응 가능한 전하 중화 장치를 제공할 수 있으므로 유효하다. |
