Ion implantation system concepts
해모수 Lab. 조 현상 (Cho, Hyun-sang)
1. Implanter concept.
Implanter system은 ion source, analyzer, accelerator등의 component등의 결합에 의해 이루어지며 개괄적으로 다음과 같은 concept으로 나뉠 수 있다.
- 1.1. post-analysis
이온은 질량 분석이 이루어지기 이전에 최대 에너지로 가속된다. 다른 part가 접지되어 있고 고전압의 source를 사용할 때 유리하나 고에너지를 다루기 위하여 커다란 magnet를 써야하고 큰 magnet를 handling하거나 focusing을 위하여 높은 전류가 요구된다. ion beam이 가속 전압에 크게 의존하므로 고전류 고에너지의 beam을 유발한다.
1.2. Pre-analysis
이온은 15∼40KV로 추출되어 질량 분석되며 마지막으로 요구되는 에너지로 가속된다. magnet는 작은 것으로 사용 가능하고 에너지의 변화도 최종 가속 전압만의 조절에 따라 쉽게 조절이 가능하다. 이온 전류는 에너지 변화에 그리 민감하지 않다. 단점으로는 electric power와 cooling, vacuum, source의 data control부와 analysis 영역이 isolation 되어 있어야 한다. 광통신으로 이러한 문제점이 해결 가능해짐에 다라 현재 가장 선호되고 있는 design concept 이다.
1.3 Post-analysis with post-acceleration
에너지의 강한 가속을 위하여 target위에 high voltage의 2차 가속기가 장치된 구조이다. 그러나 이러한 구조는 wafer룰 handling하는 것에 문제가 있어 몇몇 system에서만 시범적으로 사용되어지고 있다.
2. Criteria for the ideal semiconductor-manufacturing implanter
Implanter system에서의 가장 이상적인 형태는 다음과 같다.
① 저생산가격에서 높은 throughput을 가진다.
② Uniformity가 좋으며 wafer size에 독립적인 특성을 가져야 한다.
③ Dose range는 다양한 종류의 dose에 대해 10e10∼10e16/cm2 에 energy는 KeV에서 MeV정도를 유지해야 한다.
④ Control과 wafer handling이 자동화되어 있어야 하며, documentation이 잘되어 있고 동작에 신뢰성이 있어야 한다.
⑤ 자체 진단 기능이 있어야 하며 modem을 통해 생산자의 원격 진단이 이루어질 수 있다면 더욱 좋다.
3. Low-current and medium-current implanter concepts
Ion characteristic range는 3mA, 100∼500KeV 정도이며 주로 electrostatic scan system을 사용한다.
대부분의 system은 pre-analysis type이 사용된다.
주로 BF3, PH3, AsH3, SiF4등을 사용하며 vaporizer를 사용하여 solid source를 사용할 경우도 있다.
Analyzer에서의 ion source의 선별 원리는 ion beam의 흐름을 전류의 흐름으로, magnet에서 주어지는 자속과 그 vector product의 의해 도출되는 다음식에 의한다.
Target chamber는 single type과 batch type이 사용된다.
4. High-current/energy implanter concepts
Ion characteristic range는 15mA, 200KeV 정도이며 주로 double mechanical이나 hybrid type의 scan system을 사용한다. High energy의 경우 MeV 정도의 range를 사용하며 thermal heating이나 handling등에 대해 주의가 요구된다.
High current implanter는 주로 PH3, AsH3, solid source를 사용한다. solid를 사용하는 이유는 high current implanter에서 사용되는 많은 양의 toxic gas때문인데, 독성이 없는 solid type의 source를 vaporize하여 사용하면 toxic gas의 handling에서 발생할 수 있는 문제점을 해결 할 수 있다.
질량 분석용 magnet는 주로 60, 90。의 것을 사용하며 thermal damage를 해결하기 위하여 주로 batch type의 큰 target chamber가 사용된다. 사용되는 batch implanter system으로는 회전 cylinder에 wafer를 부착하여 scanning하는 hybrid type, 두 개의 회전축에 chain형식으로 wafer disk를 감아 hybrid type과 비슷한 방식으로 scanning하는 chain type, 마치 대공원의 회전 공중 그네와 같이 위아래로 회전하는 형식의 spinning disk type, 두 개의 disk가 1000 rpm가량으로 회전하며 하나의 source가 두 가지 beam ray로 나뉘어 scanning하는 double spinning disk with magnetic type, 하나의 disk를 800rpm 가량으로 rotation하여 implantation하는 single spinning disk with double mechanical scan type등이 있다.
5. system-limiting aspects
5.1. Throughput
5.1.1. Handling limitation
vacuum lock을 이용하여 implanter가 진행되는 동안 대기하고 있던 wafer를 disk에 loading 하는 type으로 throughput을 개선하고 있다.
5.1.2. Uniformity limitation
충분한 uniformity를 얻기 위하여 implantation time의 최소화가 요구된다. 이 시간은 먼저 implantation되는 최초의 몇 초간 outgassing에 의해 제한된다.
즉, 남아 있는 gas에 의해 발생하는 중성 원자들에 의해 nonuniformity가 야기된다.
또한 필요없는 부분에 대한 overscan을 방지하기 위해 beam spot size를 줄이는 최적의 focusing이 필요하며 작은 diameter로 scanning time을 최소화하기 위하여 유효 scanning frequency가 제한요소가 된다.
5.1.3. Beam-current limitation
유효 beam current는 high dose implantation에서 throughput을 제한하는 요소가 된다. maximum current가 작을 경우에 필요 dose를 채우기 위하여 보다 긴 시간의 implantation이 필요하다.
5.2. Wafer heating
Wafer의 temperature는 high dose의 ion이 wafer와 충돌하는 과정에서 발생하며 wafer의 front side와 rear side의 temperature는 200W/cm2의 상당히 큰 beam power를 사용했을 경우에도 0.5msec 이후 6K 이상 차이가 나지 않는다. 즉, wafer를 관통하는 온도는 constant하다는 결론을 내릴 수 있다.
wafer의 cooling은 rear side에서 이루어지며 radiation cooling과 conductive cooling의 두 가지에 의해 이루어진다.
Temperature의 관점에서 다음과 같은 두 가지의 이상 발생 온도가 고려된다.
① 120℃ 가량 : positive photoresist가 손상을 입는다.
② 300℃ 이상 : high dose implantation에 의해 만들어진 amorphous layer가 self-annealing되어 착색대가 발생한다.
5.3. Energy range
Low-energy를 사용하는 implanter는 extraction voltage의 감소에 의해 발생되는 beam current의 급속한 감소에 의해 제한된다. source region의 압력이 높은 coldcathod type의 source에서는 charge exchange에 의한 원하지 않는 ion이 자주 발생하는데 이것은 solid gas source를 이용한 hot cathod type을 사용하므로써 해결할 수 있다. 덧붙여 velocity filter나 편향판등을 사용하면 beam purifying arrangement에 더욱 좋은 효과를 얻을 수 있다.
5.4. Wafer size and wafer tilting
Wafer는 주로 (100) (111) direction의 것이 사용된다. silicon wafer는 diamond structure로써, 방향에 따라 결정 lattice사이의 다르게 거리가 벌어져 있어 implantation이 되기 전에 wafer의 orient와 tilt를 맞추는 것은 대단히 중요한 일인데, 만일, (111) 방향의 wafer가 misorient된 상태에서 10o tilt되어 implantation된다면 (211)방향의 channelling 현상을 초래할 수 있다.
5.5. Charge-up phenomena
Implanter system의 각 부위가 voltage차이를 갖고 있는 관계로 wafer도 isolation되어 있는데, 이는 dose ion에 의해 공급되는 charge up현상에 의해 insulation region에 discharge에 의한 melt와 같은 defect를 초래할 수 있다. 이를 방지하기 위하여 e-shower등의 중성화 기법이 사용된다.
5.6. Contamination
다른 doping mechanism에 비해 implantation은 상당히 깨끗한 process로 분류된다. 그러나, 실제적으로 다음과 같은 category의 contamination이 발생할 수 있다.
5.6.1. Heavy metal
초기의 High current implanter에서 Fe, Cr, Ni 등의 원소가 neutron-activation analysis에서 발견되었다. 이들 원소들은 SUS의 구성원소이며, 초기의 implanter system의 aperture등에 적용되었던 SUS물질에서 sputtering된 것으로 추정된다. 근래의 implanter는 graphite를 사용하여 이러한 contamination은 거의 사라졌다.
※ Meaterials of Construction
Material은 개괄적으로 다음과 같은 특성이 요구된다.
1. Strength
2. Useful temperature range
3. Corrosion resistance
4. Sputtering coefficient
5. Machinability
6. Thermal conductivity
7. Thermal expansion
8. Cost
9. Availability
또한, 다음과 같은 category로 구분된다.
1. Arc chamber materials
2. Cathode materials
3. Insulator materials
4. Magnetic materials
5. Electrical materials
6. Coating materials
1. Arc chamber material
1) Graphite
① 3000℃ 이상의 고온에서 견딜 수 있다.
② 기계 가공성(machinability)이 좋고 sputtering이 잘 되지 않으며 부식에 강하다.
③ source gas의 diffusion에 의해 memory effect가 발생할 여지가 있다.
2) Tantalum
① 2600℃ 가량의 동작 온도
② 기계 가공성이 좋아 복잡한 형상으로 가공할 수 있다.
③ 기계 강도가 약하고 증발 온도에서 산소나 질소와 반응할 수 있다.
2) Molybdenum
① 2000℃ 이하의 동작 온도
② 기계 가공성이 좋으나 휨성이 좋지 않다.
③ 부식성이나 기계적 강도면에서 tantalum보다 양호하나 가격은 싸다.
3) stainless steel
① 800℃ 이하의 동작 온도
② outgassing 특성이 좋아 진공 조건에 일반적으로 채용된다.
③ 비부식성 gas에 대한 arc chamber용으로만 사용이 가능하다.