KR100477412B1 - 이온 도핑장치 및 도핑 방법 - Google Patents

Abstract

플라즈마(이온)를 발생시켜서 이것을 고전압으로 가속해서 이온흐름을 형성하고 이것을 피도핑재로 도핑하는 장치에 있어서 특히 큰 면적 기판을 처리하는 데에 적합한 장치를 제안한다.

이온흐름의 단면 형상을 선형상으로 하고 또한 피도핑재를 이온흐름 단면의 길이방향과 거의 수직인 방향으로 이동시킴으로써 도핑을 하는 것을 특징으로 한다.

Description

이온 도핑장치 및 도핑 방법{Ion dopping apparatus and dopping method}

본 발명은 반도체 집적 회로 등을 제작하는 때에 사용되는 도핑장치 및 도핑 처리 방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 큰 면적 기판을 처리하는 목적에 바람직한 구성을 가진 이온 도핑장치 및 도핑 처리 방법에 관한 것이다. 예를 들면 일부 혹은 전부가 비정질(非晶質) 성분으로 되는 반도체 재료, 혹은 실질적으로 진성(眞性)인 다결정의 반도체 재료에 대해서 이온빔을 조사함으로써 이 반도체 재료에 불순물을 부여하는 것이다.

반도체 집적 회로 등의 제작에 있어서, 반도체중에 N형이나 P형의 불순물 영역을 형성하는 경우에, N형이나 P형의 도전형을 띄우게 하는 불순물(N형 불순물/P형 불순물) 이온을 높은 전압으로 가속해서, 조사· 주입하는 방법이 알려져 있다. 특히 이온의 질량과 전하비를 분리하는 방법은 이온주입법이라 칭하고 반도체 집적회로를 제작할 때에 널리 사용되고 있다.

그 밖에도 N/P형 불순물을 갖는 플라즈마를 발생시키고, 이 플라즈마중의 이온을 높은 전압에 의해 가속하고 이온흐름으로서 반도체중에 주입하는 방법이 알려져 있다. 이 방법은 이온 도핑법 혹은 플라즈마 도핑법이라 칭한다.

이온 도핑법에 의한 도핑장치의 구조는, 이온주입법에 의한 도핑장치에 비교해서 간단하다. 예를 들면 P형 불순물로서 붕소를 주입하는 경우에는 붕소 화합물인 디보란(B₂H₂) 등의 기체에 있어서 RF방전 그 밖의 방법에 의해 플라즈마를 발생시키고 이것에 높은 전압을 걸어서 붕소를 가진 이온을 끌어내어 반도체중에 조사한다. 플라즈마를 발생시키기 위해 기상(氣相)방전을 하는 것은 도핑장치 내의 진공도는 비교적 높다.

현재, 비교적 큰 면적의 기판에 대해서 균일하게 불순물을 첨가하려면은 이온 도핑장치가 사용되는 일이 많다. 이온 도핑장치는 질량분리를 하지 아니하고, 큰 면적의 이온빔이 비교적 용이하게 얻어지기 때문이다. 한편, 이온주입 장치는 질량분리를 할 필요가 있기 때문에, 빔의 일양성(一樣性)을 보존한 채로 빔면적을 크게 하는 일은 어렵다. 따라서, 이온주입 장치는 큰 면적 기판에는 부적당하다.

근래, 반도체 소자 프로세스의 저온화에 관해서 왕성한 연구가 진행되고 있다. 그것의 큰 이유는 염가인 유리등의 절연기판 위에 반도체 소자를 형성할 필요가 생겼기 때문이다. 그 밖에도 소자의 미소화나 소자의 다층화에 따르는 요청도 있다.

유리등의 절연기판은 종래 고온 프로세스로 사용되고 있는 석영기판과 비교해서 가공성이 풍부하고, 큰 면적화가 용이하며, 또한 염가인 등 각가지 장점이 있다. 그러나, 기판의 큰 면적화에 수반하여 종래의 고온 프로세스와는 성질이 다른 장치를 개발하지 아니하면 아니되는 등 기술적으로 넘지 아니하면 아니되는 고난이 많이 생기고 있는 것도 사실이다.

큰 면적 기판을 처리할 필요가 있는 액티브 매트릭스형 액정 디스플레이 등의 제작에 있어서는 이온주입법은 이 점에서 불리하고 그 결점을 보완하는 목적으로 이온 도핑법에 대해서 연구개발이 행해지고 있다.

종래의 이온 도핑장치의 개요를 도 1 및 도 2a 및 도 2b에 도시한다. 도 1은 주로 이온원 및 이온의 가속장치의 개요를 도시한다. 또 도 2a 및 도 2b는 이온 도핑장치 전체의 구조를 도시한다. 먼저 도 1에 따라 설명한다. 이온은 플라즈마 공간(4)에서 발생한다.

즉, 전극(3)과 망형상(網狀) 전극(6) 사이에 고주파 전원(1) 및 매칭박스(matching box)(2)에 의해 고주파 전력을 인가함으로써, 감압된 플라즈마 공간(4)에 플라즈마를 발생시킨다. 플라즈마를 발생시키는 초기에는 수소 등을 분위기로 도입하고, 플라즈마가 안정된 후에는 도핑가스인 디보란이나 포스핀(PH₃)을 도입한다.

전극(3)과 챔버의 외벽(망형상 전극(6)과 같은 전위)은 절연체(5)에 의해 절연된다. 이와 같이 해서 발생한 플라즈마에서 이온흐름이 끌어내어지나 그것에는 인출전극(10) 및 인출전원(8)이 사용된다. 이와 같이 해서 인출된 이온흐름은 억제 전압(11) 및 억제전원(9)에 의해 형상을 정돈한 후, 가속전극(12) 및 가속전원(7)에 의해 필요로 하는 에너지까지 가속된다.

다음으로 도 2a에 대해서 설명한다. 이온 도핑장치는 크게 나누어서 이온원· 가속장치(13), 도핑실(15), 전원장치(14), 가스박스(19), 배기장치(20)로 형성된다. 도 2에서는 이온원· 가속장치는 도 1의 것을 가로로 두고 있다. 즉, 도 2a 및 2b에서는 이온흐름은 좌로부터 우로 흐른다(도 1에서는 위에서 아래로 흐른다). 전원장치(14)는 주로 이온의 발생· 가속에 사용되는 전원을 집약한 것으로, 도 1의 고주파 전원(1), 매칭박스(2), 가속전원(7), 인출전원(8), 억제전원(9)을 포함한다.

도핑실(15)에는 기판홀더(17)가 설치되고, 피도핑재(16)가 그 위에 설치된다. 기판홀더는 일반적으로 이온흐름과 평행한 축을 따라서 회전되도록 설계된다. 이온원· 가속장치(13)와 도핑실(15)은 배기장치(20)에 의해 배기된다. 물론, 이온원· 가속장치(13)와 도핑실(15)이 독립으로 배기장치에 의해 배기되어도 된다.

가스박스(19)로부터는 가스라인(18)을 경유해서 도핑실(15)에 도핑가스가 보내진다. 도 2a 및 2b의 장치에서는 이온원· 가속장치(13)와 피도핑재(16) 사이에 가스 공급구가 설치되어 있으나, 이온원의 플라즈마 공간(4)의 근처에 설치할 수도 있다. 도핑가스는 수소 등으로 희석해서 사용하는 것이 일반적이다.

종래의 이온 도핑장치에서는, 처리할 수 있는 기판(피도핑재)의 면적은 이온원(13)에 있어서 플라즈마 공간(4)의 단면적과 같거나 그 이하였다. 이것은 도핑의 균일성에 의해 요구된 조건이다. 도 2b는 이온흐름에 수직인 단면의 모양을 도시한다. 즉, 이온원· 가속장치(13)는 L₁ 및 L₂의 크기이나, 도핑실(15) 및 피도핑재(16)는 그 속에 들어갈 정도의 크기이다. 그래서 L₁ 과 L₂는 같은 정도의 크기이다.

따라서, 기판이 보다 커지면 플라즈마 공간(4)은 더욱 커질 것을 요구한다. 더욱이 플라즈마는 2차원적으로 균일할 것이 요구된다. 그러나, 플라즈마 공간은 무한히 크게 하는 것은 곤란하다. 왜냐하면 플라즈마 발생이 균일하지 아니하기 때문이다. 이것은 주로 분자의 평균 자유 공정이 플라즈마 공간의 단면에 비교해서 충분히 작아지기 때문이다. 이 때문에, 플라즈마 공간의 한변의 길이를 0.6m이상으로 하는 것은 곤란하다.

본 발명에 있어서는 이온흐름의 단면을 선형상 또는 장방형으로 하고, 또한 도핑 중에 피도핑재를 이온흐름의 길이방향에 수직(즉 짧은 방향)으로 이동시키는 것을 특징으로 한다. 이같이 함으로써, 플라즈마는 길이방향의 균일성이 요구되는 것만으로 되고 큰 면적의 기판의 처리가 가능해진다. 플라즈마의 길이방향의 균일성만이 문제로 되어, 2차원적인 균일성이 문제로 되지 아니하는 것은 피도핑재의 임의의 부분에 착안하면 이온주사가 주사에 의해 행해지기 때문이다.

본 발명에서는 원리적으로는 기판의 1변의 길이는 플라즈마의 길이에 의해 제약되는 다른 1변의 길이에는 도핑실의 크기 이외의 제약 요인이 없다. 방전 공간의 폭이 충분히 좁으면 길이방향의 균일성이 2m정도 보존된 플라즈마는 용이하게 발생된다. 물론, 그때의 이온빔의 폭은 센티미터라도 좋다.

따라서, 이와 같은 선형상 이온 도핑장치는 큰 면적 기판 혹은 다수의 기판을 동시에 처리하는 데에 적합하다. 예를 들면, 최대 2m × xm의 기판에 비교적 용이하게 도핑을 할 수가 있다. x는 도핑장치의 크기에 의해 결정된다.

도 3a에 본 발명의 개념을 도시한다. 본 발명의 이온 도핑장치도 종래와 같이, 이온원· 가속장치(13), 도핑실(15), 전원장치(14), 가스박스(19), 배기장치(20)로 형성된다. 그러나 종래의 것과는 달라 이온원· 가속장치(13)에서는 단면이 선형상 혹은 장방형으로 되는 이온흐름을 발생한다. 다시, 기판홀더(17)가 도핑 중으로 이동하는 기구를 구비하고 있다. 이온흐름의 길이방향은 도면의 지면에 수직인 방향이다.

본 발명의 이온 도핑장치에서는, 처리할 수 있는 기판(피도핑재)의 형상은 이온원(13)에 있어서 플라즈마 공간(4)의 단면 형상과는 관계가 없다. 단 기판이 짧은 편의 한변의 길이는 플라즈마 공간(4)의 길이방향의 길이와 같거나 그 이하인 것이 요구된다. 기판 외의 1변의 크기에 대해서는 도핑실의 크기 이외에는 제약 요인이 없다.

도 3b는 이온흐름에 수직인 단면 모양을 도시한다. 즉, 이온원· 가속장치(13)(L₁ × L₂)의 형상은 도핑실(15) 및 피도핑재(16)의 형상으로 제약되지 아니한다. 이온흐름의 단면 형상이 선형상 혹은 장방형이므로 L₁ < L₂ ( =이온흐름의 단면의 길이방향의 길이)이다.

이온흐름이 길이방향으로 균일할 뿐으로, 짧은 방향의 균일성에는 관계없는 것은, 짧은 방향으로 이온강도, 이온 종류의 분포가 있어도 상관이 없다는 것이고, 이같은 사실은 이온흐름에서 특정한 경이온(예를 들면 H⁺ _, H₂ ⁺ 등)을 제거하는 상에서 유효하다. 이온의 분리에는 자기적인 작용을 이온흐름에 미칠 필요가 있었으나, 그 때에는 반드시 필요한 무거운 이온의 분포에도 영향을 주었다.

종래의 이온 도핑장치에서는 2차원에서의 균일성이 요구되므로, 실질적으로 이온을 분리하는 것은 불가능하다. 그러나 본 발명에서는 실시예 2에 도시하는 바와 같이 간단히 분리할 수가 있다.

또 이온흐름이 길이방향으로 균일할 뿐으로 짧은 방향의 균일성을 불문에 붙이는 것은 이온흐름을 가속· 감속하는 전극의 구조에도 유리하다. 종래의 이온 도핑장치에서는 전극에는 망형상 혹은 다공의 것이 사용되었으나, 이와 같은 전극에서는 일부의 이온이 전극 몸체에 충돌하므로 그로 인한 전극의 열화(劣化) 혹은 전극 구성물질의 비산·스프터링이 문제로 된다.

이에 대해, 본 발명에서는 실시예 1에 표시하는 바와 같이 간단한 형상의 전극으로 또한 이온흐름에서 분리된 위치에 설치되기 때문에 상기한 문제는 해결이 된다.

또한, 종래의 반도체 제조기술에서는 이온주입 기술이 알려져 있으나, 그 때에는 이온흐름을 전자적으로 편향시켜서 고정된 기판에 주사하는 기술이 알려져 있다. 그러나 그와 같은 방법은 본 발명과 같이 각가지 질량/전하비를 가진 이온을 동시에 도핑하는 경우에는 적절하지 아니하고, 본 발명과 같이 이온흐름은 고정되고 기판을 이동시키는 편이 바람직하다.

왜냐하면 전자적인 이온흐름의 편향기술에서는 중이온에 비교해서 경이온의 편이 훨씬 편향되기 쉽고 따라서 균일하게 주사할 수가 없기 때문이다. 질량수가 1개 다를 뿐이라도 분포가 생기므로 본 발명의 목적으로 하는 이온 도핑 기술에 적용하는 것은 바람직하지 않다. 이와 같은 전자적인 편향기술이 사용할 수 있는 것은 단일 이온 종류만을 도핑하는 경우에 한정된다.

본 발명의 이온 도핑장치에는 종래의 이온기술에 있어서 공지인 이온집속장치나 이온 질량분리 장치를 부가해도 좋다.

또한, 본 발명과 같은 선형상 이온 도핑 기술에 있어서 이온의 질량분리가 용이하다는 특징은 그 후의 어닐처리에 있어서도 유리해지는 경우가 있다. 일반으로 이온 도핑을 하면 이온의 피조사물로의 입사에 수반하는 피조사물의 원자 격자의 손상이나 결정 격자의 비정질화 등이 생긴다. 또 도우팬트(dopant)는 단지 반도체 재료를 때리는 것만으로는 캐리어로서 작용하지 아니한다. 이들의 불합리함을 해소하기 위한 몇 개의 공정이 도핑 후에 필요하다.

상기한 공정에서 가장 일반적인 방법은 열어닐 혹은 광어닐이다. 이들의 어닐에 의해 도우팬트를 반도체 재료 격자에 결합시킬 수가 있다. 단지, 광어닐의 경우에는 그 광이 격자 손실곳 등에 미치지 아니하면 아니된다.

또 상기한 어닐에서 해소되지 아니하는 준위(準位)(불결합수)를 지우기 위한 수소를 첨가하는 공정도 상당히 일반적으로 행해지고 있다. 이 공정을 이하 수소화라 칭한다. 수소는 350^oC정도의 온도로 용이하게 반도체 재료 내에 진입하고 상기한 주위를 지우는 작용을 한다.

여하튼 이들의 도핑 후의 공정을 설치하는 것은 공정수를 증가하고 가격이나 처리량의 면에서 좋지 않다. 열어닐과 수소화를 도핑시에 동시에 함으로써 혹은 그들의 공정의 일부를 도핑시에 행함으로써 어닐 공정· 수소화 공정의 생략 혹은 처리 시간의 단축 내지는 처리 온도 등의 저감 등을 도모할 수가 있다.

수소와 도우팬트를 동시에 반도체 재료에 첨가하는 일은 비교적 용이하다. 즉, 수소로 희석한 도우팬트를 수소마다 이온화해서 도핑을 하면 된다. 예를 들자면 수소로 희석한 포스핀(PH₃)을 사용해서 도 1이나 도 2a 및 도 2b에 도시하는 도핑장치로 이온의 주입을 하면 인을 포함하는 이온(예를 들면 PH₃ ⁺ 나 PH₂ ⁺ 등)과 동시에 수소이온(예를 들면 H₂ ⁺ 나 H⁺ )도 주입된다.

그러나 수소는 인· 붕소 등의 도우팬트를 포함하는 이온에 대해서는 너무나 가볍고 가속되기 쉽기 때문에 기판 깊숙이까지 들어가 버린다. 한편, 도우팬트를 포함하는 이온은 비교적 얕은 부분에 그치므로 이 수소가 도우팬트로 인한 결함을 수복하려면 열어닐 등으로 수소를 이동시켜야만 된다.

그런데 선형상 이온빔을 사용하면 상술한 바와 같이 질량 분리기를 이온흐름의 도중에서 희망하는 이온만이 기판에 조사할 수가 있게 된다. 이 사상을 보다 발전시키면 다음과 같은 새로운 도핑 방법도 가능하게 된다. 즉 다른 질량의 이온을 분리한 후 각각을 다른 전압으로 가속하고, 이들의 빔을 반도체 재료에 조사함으로써 이들의 이온을 거의 같은 깊이로 찍어 넣는 도핑 방법이다.

예를 들면 수소를 주성분으로 하는 이온(경이온)과 도우팬트를 포함하는 이온(중이온)으로 분리하고 후자만을 가속함으로써 앞의 것과 뒤의 것의 침입 깊이를 거의 같게 하고, 앞의 것의 존재에 의해 도우팬트에 대한 어닐 공정이나 수소화 공정의 일부 혹은 전부를 동시에 행할 수가 있게 된다.

즉, 수소이온빔의 반도체 재료로의 입사속도를 도우팬트를 포함하는 이온빔의 반도체 재료로의 입사속도에 가까이 함으로써 반도체 막중의 수소의 분포와 도우팬트의 분포가 가까워진다. 이 때 이온의 입사 에너지(충돌에 의해 에너지로 전화(轉化) 한다)와 수소공급에 의해 도우팬트가 곧바로 활성화된다. 이 효과에 의해 뒤의 도우팬트 활성화 공정이 불필요해진다.

침입 깊이를 조정하기 위해서는 각각의 이온빔의 입사각을 바꾸어도 좋다. 즉 입사각이 작으면 침입 깊이도 작아진다. 입사각의 변경에는 자기적· 전기적 효과를 사용하면 된다. 지나치게 입사각이 작으면, 기판에 이온이 들어가지 아니하고 반사해 버린다. 입사각은 40^o이상이면 문제는 없다.

상기한 목적에는 질량분리 장치는 이온빔 발생장치와 가속장치 사이에 설치되면 좋다. 또 질량분리를 위해서는 이온빔의 길이방향으로 평행한 자장을 이온빔에 부가하는 장치를 사용하면 된다.

반도체 재료에 대해서는 먼저 도우팬트를 포함하는 이온이 주입된 후에 수소를 주성분으로 하는 이온이 주입되도록 해도 좋고 그 역이 되도록 해도 좋다.

본 발명의 이온 도핑장치와 선형상 레이저광을 이용하는 레이저 어닐장치를 동일 챔버내에 설치하는 것도 유효하다. 즉 본 발명이 선형상 이온흐름에 의해 기판을 주사하면서 도핑하는 공정을 특색으로 할 것과, 다른 발명인 선형상 레이저광을 사용한 레이저 어닐법이 같은 기구를 필요로 할 것 및, 양 장치를 사용하는 공정이 연속하는 것에 착안하면 양자를 별개의 장치로 하는 것보다 동일한 장치에 내장시키는 것은 매우 효과적이다.

예를 들면 일본국 특허 공개 헤이세이 7-283151호에는, 다챔버 진공 처리 장치에 있어서 이온 도핑 챔버와 레이저 어닐 챔버를 갖는 것이 개시되어 있다. 종래의 이온 도핑장치는 면형상의 단면을 가진 이온흐름의 일괄 조사를 기본으로 하고 경우에 따라서는 기판을 회전시킬 필요가 있으므로, 이온 도핑 챔버와 레이저 어닐 챔버를 일체화시키는 사상은 없었다.

그러나, 본 발명과 같이 이온 도핑장치도 선형상 레이저 어닐장치와 같은 반송기구에 의해 기판을 이동하면서 도핑을 하려는 경우에는, 이온 도핑 챔버와 레이저 어닐 챔버를 별도로 설치할 필요는 없고, 오히려 일체화하는 편이 양산성의 면에서 유리하다. 즉 이온흐름의 단면의 길이방향과 레이저광의 단면의 길이방향을 평행하게 설치하고, 이 사이를 기판을 상기한 방향으로 수직으로 이동시키면 된다. 이 같이 함으로써 이온 도핑 공정과 레이저 어닐 공정을 연속적으로 행할 수 있다.

선형상 이온 처리 장치에 선형상 레이저 어닐장치를 조합시키는 일은 2개의 공정을 동시에 행하는데 의한 공정수의 단축 효과에 더해서 기판 오염의 가능성을 저감하는 효과도 갖는다.

또한, 본 발명의 이온 도핑장치를 사용하면 다음과 같은 특색을 갖는 도핑 처리를 행할 수가 있게 된다. 즉 본 발명에 의한 도핑 처리 방법의 제 1은 선형상의 이온빔을 발생하는 과정과, 상기 이온빔을 질량분리하고 최소한 2개의 이온빔에 분리하는 과정과, 이온빔을 각각 다른 전압으로 가속하는 과정과, 이온빔을 각각 다른 각도에서 기판에 조사하는 과정을 갖는다.

본 발명에 의한 도핑 처리 방법의 제 2는, 선형상의 이온빔을 발생하는 과정과, 이 이온빔을 최소한 2종류의 이온빔에 질량분리하는 과정과, 이온빔의 1개를 다른 1개와는 다른 가속 전압으로 가속하는 과정과, 선형상으로 가공된 이온빔이 선방향과 거의 직각 방향으로 기판을 이동시키면서 이온빔의 최소한 2개를 조사하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 도핑 처리 방법의 제 3은, 수소를 포함하는 선형상의 이온빔을 발생하는 과정과 이 이온빔을 수소를 주성분으로 하는 것과 그렇지 아니한 것으로 질량분리하는 과정과, 이온빔중 수소를 주성분으로 하는 이온빔 및 그렇지 아니한 것에 각각의 이온빔의 기판으로의 침입 깊이가 거의 같아지게 되는 에너지, 입사각도 등을 부여하는 과정과 선형상으로 가공된 이온빔의 선방향과 거의 직각 방향으로 기판을 이동시키면서 이온빔을 조사하는 것을 특징으로 한다.

다음은 실시예를 도시하고 보다 상세하게 본 발명을 설명한다.

실시예 1

도 4a 및 도 4b에 본 실시예를 도시한다. 도 4a는 본 실시예의 이온원· 가속장치의 구성의 개략을 도시하고, 도 4b는 본 실시예의 이온원· 가속장치의 전극의 개략적인 형상을 도시한다. 먼저 도 4a에 따라서 설명한다.

장방형상의 단면을 갖는 플라즈마 공간(24)에서는 플라즈마 발생전극(23, 26)에 고주파 전원(21)으로부터 고주파 전력을 부가해서 플라즈마가 발생한다. 이 플라즈마는 인출전극(30) 및 인출전원(28)에 의해 인출되고, 다시 억제전극(31), 억제전원(29)에 의해 형상· 분포를 정돈한 후, 가속전극(32), 가속전원(27)에 의해 필요로 하는 에너지까지 가속된다. 또한 플라즈마의 길이방향의 균일성이 충분하면 억제전극(31)은 설치하지 아니해도 된다.

플라즈마 발생전극(23, 26), 인출전극(30), 억제전극(31), 가속전극(32)의 형상은 도 4b에 도시된다. 즉 인출전극(30), 억제전극(31), 가속전극(32)은 공동형(空洞型)이고, 이온흐름은 그것의 중앙부를 흐른다. 따라서 이온이 전극과 충돌하는 일이 없다.

본 실시예에서는 플라즈마 발생용 전극(23, 26)의 간격을 1 내지 10cm, 길이를 50 내지 150cm, 인출전극(30), 억제전극(31), 가속전극(32)의 공동부의 단면의 짧은 방향의 길이를 1 내지 15cm, 길이방향의 길이를 50 내지 170cm로 하면 된다.

또한, 이온 도핑장치 전체의 구성은 도 3a 및 도 3b에서 도시된 것과 같도록 하면 된다.

본 실시예에서는, 이온의 질량분리가 행해지지 아니하고 도입되므로, 예를 들면 도핑가스로서 수소로 희석한 포스핀을 사용한 경우에는 중이온(PH₃ ⁺, PH₂ ⁺ 등)도 경이온(예를 들면 H⁺ _, H₂ ⁺등)도 같은 면밀도(面密度)로 도입된다. 같은 것은 붕소나 안티몬의 주입에 있어서도 생긴다.

이 같은 사실은 재결정화 때에 저온에서 결정화하는 이점이 있다. 즉, 재료 중의 Si - H 결합끼리가 수소분자를 이탈하는 것과 같은 축합 과정을 거쳐서 Si - Si 결합을 형성하기 때문이다. 이 점에서 적극적으로 수소분자의 주입을 방지하는 실시예 2 혹은 3과 다르다.

단 본 실시예에서는 이온의 질량이나 반경에 의해 진입 깊이가 다른 면에 주의하지 아니하면 아니된다. 일반적으로 가벼운 수소계 이온은 훨씬 깊은 부분에 집중한다. 이점을 개선하는 실시예는 후술한다(실시예 5 내지 7).

실시예 2

본 실시예는 실시예 1에서 표시한 이온 도핑장치의 이온원· 이온가속장치에 있어서, 질량분리 장치를 설치한 예를 표시한다. 본 실시예를 도 5a 내지 도 5c를 써서 설명한다. 도 5a는 본 실시예의 이온원· 가속도 장치의 구성의 개략을 도시한다. 먼저 도 5a에 따라서 설명한다. 장방형상의 단면을 갖는 플라즈마 공간(25)에서는, 플라즈마 발생전극(23, 26)에 고주파 전원(21)으로부터 고주파 전력을 부가해서 플라즈마가 발생한다.

이 플라즈마는 인출전극(30) 및 인출전원(28)에 의해 끌어내어지고 가속전원(27)에 의해 가속된다. 다음에 이온흐름은 서로 역방향의 자장(34, 35) 및 그 사이의 슬릿(36)을 통과한다. 자장(34)에 의해 이온은 가로로 향한 힘을 받아 이 때문에 경이온(예를 들면 H⁺, H₂ ⁺ 등 도면의 점선)은 중이온(예를 들면 BH₃ ⁺, BH₂+, PH₃ ⁺, PH₂ ⁺ 등 도면의 실선)보다 좌측으로 구부러지고 슬릿(36)을 통과할 수가 없다. 즉, 슬릿(36)은 질량분리용으로 설치된 것이다.

도 5b에는 슬릿에 진입하기 전의 이온의 분포의 개념도를 도시한다. 세로축은 이온밀도(이온강도)이고, 가로축은 이온흐름의 단면의 짧은 방향이다. 이온은 플라즈마의 분포를 반영하고 가우스 분포에 가까운 형상이나 자장(34)에 의해 가벼운 이온이 좌로 이동한다. 도 5c에는 슬릿을 통과한 후의 이온의 분포를 도시한다. 슬릿(36)에 의해 이온흐름중 좌측의 가벼운 이온의 피크가 깎여진다. 이 결과 이온흐름의 질량분리를 할 수가 있다.

또한, 슬릿(36)을 통과한 이온흐름도 그것의 짧은 방향의 분포는 자장(34)의 영향을 강하게 받고 있고, 플라즈마 공간에서의 분포와는 다르나 상술한 바와 같이 이온흐름을 이동해서 도핑하기 위해 하등의 문제는 없다.

슬릿(36)을 통과한 이온흐름은 자장(34)과는 역방향의 자장(35)에 의해 우향의 힘을 받아 궤도가 수정된다. 이온이 자장(34)에서 받는 힘과 자장(35)에서 받는 힘은 방향이 역으로 크기가 같으므로 결국 이온흐름은 이전의 흐름과 병행하게 된다.

그후 억제전극(31), 억제전원(29)에 의해 형상· 분포를 정비한 후, 가속전극(32), 가속전원(33)에 의해 필요로 하는 에너지까지 가속된다. 또한 플라즈마의 길이방향의 균일성이 충분하면 억제전극(31)은 설치하지 아니해도 된다. 또 본 실시예와 같은 자장을 부가하는 장치 및 슬릿은 억제전극과 가속전극 사이에서도 또 가속전극과 피도핑재 사이에 놓여도 좋다.

본 실시예와 같이 가벼운 수소계 이온을 제거하는 경우에는 실시예 1에서 상술한 바와 같은 재결정화에 있어서 수소이탈 종합 반응이 일어나기 어렵다. 이 문제를 해결하려면은 목적으로 하는 불순물의 도핑 공정의 앞 혹은 뒤에 같은 정도의 깊이로 되는 수소만의 도핑을 하면 된다.

실시예 3

본 실시예는 간이형의 질량 분석 장치를 갖는 이온 도핑장치의 이온원· 이온가속장치에 있어서 이온흐름의 집속 장치를 설치한 예를 표시한다. 본 실시예를 도 6a 내지 도 6e를 사용해서 설명한다. 도 6a는 본 실시예의 이온원· 가속장치의 구성의 개략을 도시한다. 먼저 도 6a 및 도 6b에 따라서 설명한다. 또한, 도 6a는 이온흐름의 단면의 길이방향으로부터 본 도면을 또 도 6b는 이온흐름의 단면의 길이방향으로 수직인 면으로부터 본 도면을 도시한다.

본 실시예의 이온원은 실시예 1이나 실시예 2와는 다르고, 유도 여기형의 플라즈마 발생 방법을 채용한다. 그 목적을 위해 가스라인(58)의 일부에 석영관을 사용하고 그 주위를 유도코일(43)을 감아준다. 코일(43)은 고주파 전원(41)에 접속된다. 또한 코일의 일단은 접지된다. 실시예 1이나 실시예 2에서는 이온의 하류에서 접지 하였다. 이에 대해 본 실시예에서는 이온흐름의 상류에서 접지된다.

이와 같이 하는 것의 장점은, 특히 세관(細管)에서의 유도여기와 같은 경우에는 가스라인(58)을 접지 준위 근처에서 사용할 수가 있다. 가스라인을 실시예 1이나 실시예 2와 같이 이온의 중류(中流)에 설치하는 경우에는 가스라인의 전위는 그만큼 문제가 되지 아니하나, 본 실시예와 같은 장치에 있어서 이온의 하류를 접지한 경우에는 가스라인 근처는 100kV에 달하는 고전위로 되고, 가스배관이나 가스 용기에 도전성의 재료를 사용하므로 가스박스 등까지도 엄중하게 절연할 필요가 있다.

본 실시예와 같이 이온의 상류를 접지함으로써 역으로 하류가(부의) 고전위로 되나 하류에 있는 물체는 외부와 연락하는 것이 적으므로 절연은 그다지 문제되지 아니하다.

유도코일(43)에 의해 생긴 플라즈마는 가속실(44)로 도입된다. 가속실로의 도입구는 도 6b에 도시하는 바와 같이 특징적인 형상을 갖게 한다. 여기에서 세관에서 대용량의 반응실에 가스가 도입됨으로써 플라즈마 및 도핑가스의 압력· 밀도는 급격히 저하한다.

이같은 사실은 본 실시예와 같이 이온흐름을 집속하는 경우에는 바람직하다. 일반적으로 유도코일 부분의 가스라인(58)의 압력은 가속실(44)의 압력의 1/5 내지 1/100으로 되도록 하면 된다. 플라즈마를 발생시키는 데에는 10^-4torr이상의 압력이 필요하다.

그러나 압력이 높은 공간에서는 기체 분자나 이온의 평균 자유행정이 적어져 이온을 고에너지로 가속하는 위에서 불리하다. 또 본 실시예와 같이 이온흐름을 집속하는 경우에는 이온의 충돌에 의한 산란에 의해 집속도가 저하한다.

본 실시예와 같이 가속실(44)의 압력을, 플라즈마원(유도코일(43)의 근처)보다 대폭으로 저하시키면 상기한 문제는 해결된다. 또한, 이온흐름의 집속 효과를 유효하게 하기 위해서는 집속 장치에서 피도핑물까지의 거리가 평균 자유행정 이하인 압력으로 하는 것이 바람직하다.

이와 같이 해서 가속실로 도입된 플라즈마는 인출전극(50)(및 인출전원(48))에 의해 인출되고 가속전극(52)(및 가속전원(47))에 의해 가속된다. 이 인출전극(50)과 가속전극(52) 사이에는 이온흐름의 집속용의 코일(51)을 설치한다. 코일(51)은 통상의 솔레노이드와는 다른 형상으로 한다.

즉, 이온흐름을 집속시키는 방향에는 하류로 될수록 지름을 작게 한다. 한편 그것에 수직인 방향에서는 지름을 변화시키지 아니한다. 이같이 함으로써 이온흐름을 1 방향으로 집속시킬 수가 있다. 코일(51)은 같은 형상을 갖는 중공의 영구 자석에 의해서도 대체된다.

이상은 원리적으로는 z핀치법이라 칭하는 플라즈마 찍어 넣기 혹은 플라즈마 집속기술이나 그 이외에도 이온흐름의 자신의 발생인 자장에 의해 집속시키는 자기접속법을 사용할 수도 있다. 그 때에는 다단의 가속전극을 설치하고 하류일수록 전극 지름을 작게 하면 된다. 또 자기접속법을 사용하는 데에는 이온흐름과 역향으로 전자흐름을 통하면 전류량이 증가하고 또한 이온간의 반발이 전자에 의해 차폐(시일드 효과)되므로 보다 집속하는 위에서 효과적이다.

다음에, 이온흐름은 서로 역영향의 자장(54, 55) 및 그 사이의 슬릿(56)을 통과한다. 자장(54)에 의해 이온은 좌향의 힘을 받는다. 이 때문에 경이온(도면의 점선)은 중이온(도면의 실선)보다 좌측으로 구부려지고 슬릿(56)을 통과할 수가 없다. 이 같은 사실은 실시예 2와 같으나 본 실시예에서는 이온흐름의 집속을 행하기 때문에 보다 현저한 효과가 얻어진다.

도 6c에는 가속전극(52)을 통과한 이온의 분포의 개념도를 도시한다. 종축은 이온밀도(이온강도)이고, 횡축은 이온흐름의 단면의 짧은 방향이다. 이온은 플라즈마의 분포를 반영하고 가우스 분포에 가까운 형상이나 경이온의 편이 중이온보다도 보다 강하게 집속되고 중앙으로 놓인다.

이와 같은 분포의 이온흐름이 자장(54)을 통과하면, 실시예 2와 같이 가벼운 이온이 좌로 이동한다. 도 6d는 슬릿으로 진입하기 전의 이온의 분포의 개념도를 도시한다. 도 6e에는 슬릿을 통과한 후의 이온의 분포를 도시한다. 슬릿(56)에 의해 이온흐름중 좌측의 경이온의 피크가 깎여진다. 이 결과 이온흐름의 질량분리를 할 수가 있다. 본 실시예에서 특징적인 것은 경이온은 보다 집적도가 높기 때문에 이 슬릿에 의한 분리의 효과가 현저히 나타난다.

슬릿(56)을 통과한 이온흐름은 자장(55)에 의해 우향의 힘을 받고 궤도가 수정된다. 이온이 자장(54)에서 받는 힘과 자장(55)에서 받는 힘은 방향이 역으로 크기가 같으므로 결국 이온흐름은 이전의 흐름과 병행해진다.

이와 같이 해서 선형상의 단면을 갖는 이온흐름을 얻을 수가 있다.

실시예 4

본 실시예는 본 발명의 이온 도핑장치와 선형상 레이저광을 이용하는 레이저 어닐장치를 동일 챔버내에 설치한 장치에 관한 것이다. 즉, 본 발명이 선형상 이온흐름에 의해 기판을 주사하면서 도핑하는 공정을 특색으로 하는 것과, 다른 발명인 선형상 레이저광을 사용한 레이저 어닐법이 같은 기구를 필요로 하는 것에 착안한 것이다.

예를 들면, 일본국 특허 공개 헤이세이 7-283151호에는 다챔버 진공 처리 장치에 있어서 이온 도핑 챔버와 레이저 어닐 챔버를 갖는 것이 개시되어 있다. 종래의 이온 도핑장치는 면형상의 단면을 갖는 이온흐름의 일괄 조사(照射)를 기본으로 하고 경우에 따라서는 기판을 회전시킬 필요가 있었으므로, 이온 도핑 챔버와 레이저 어닐 챔버를 일체화시키는 사상은 없었다.

그러나 본 발명과 같이 이온 도핑장치도 선형상 레이저 어닐장치와 같은 반송기구에 의해 기판을 이동하면서 도핑을 하는 경우에는, 이온 도핑 챔버와 레이저 어닐 챔버를 별도로 설치할 필요는 없고 오히려 일체화한 편이 양산성의 면에서 유리하다. 즉, 이온흐름의 단면의 길이방향과 레이저광의 단면의 길이방향과를 평행하게 설치하고, 이 사이를 기판을 상기한 방향으로 수직으로 이동시키면 된다. 이와 같이 함으로써 이온 도핑 공정과 레이저 어닐 공정을 연속적으로 행할 수 있다.

본 실시예를 도 7a 및 7b를 써서 설명한다. 도 7a는 본 실시예의 장치의 단면의 개념도이고, 또 도 7b는 본 실시예의 장치를 위(이온흐름의 도입 방향 혹은 레이저광의 도입 방향)로부터 본 개념도이다.

본 발명의 이온 도핑 겸 레이저 어닐장치는, 다른 실시예의 이온 도핑장치와 같이 이온원· 가속장치(63), 도핑실(65), 전원장치(64), 가스박스(69), 배기장치(70)로 형성된다. 그러나 그것에 부가하여서 레이저 장치(61), 광학계(62)를 갖는다. 또 예비실(68)도 갖는다. 물론 도핑실(65)에는 레이저광을 도입하기 위한 창(73)을 설치한다. 레이저 광도입용의 창(73)은 이온흐름 도입을 위한 창(72)과 평행하게 설치된다.

기판(66)은 기판홀더(67)에 지지되고 기판홀더(67)는 반송기구(71)에 의해 도핑실(65)을 최소한 1방향으로 이동한다. 기판홀더(67)에는 히터 등을 설치해도 좋다. 이온흐름의 길이방향은 도면의 지면에 수직인 방향이다.

실시예 5

본 실시예에서는 이온 형성수단을 갖는 장치와, 이온을 가속하는 수단을 갖는 장치에 관해서는 도 4a 및 도 4b에 도시하는 장치와 같은 구성의 것을 사용한다. 도 8에는 본 실시예에서 사용하는 이온 도핑장치의 개념도를 도시한다. 도우팬트 가스는 고주파 전원(81)으로부터 고주파 전력의 부가된 플라즈마 발생전극(82,83)에 의해 이온화된다. 이 이온은 인출전극(84)에 의해 인출된다.

또한 본 실시에의 도핑장치는 이온빔에 자장을 가하는 수단(85)을 구비하고 있다. 그 결과 경이온(수소를 주성분으로 하는 이온)은 크게 편향한다. 한편 중이온(도우팬트를 포함하는 이온)의 편향은 약간이다. 본 실시예의 장치에서는 중이온의 통과로에는 억제전극(86), 가속전극(87)을 설치하고 이 이온빔이 선택적으로 가속되고 기판에 조사된다. 그러나 경이온에 관해서는 통로에 가속전극이 설치되어 있지 아니하므로 인출전극(48)에 의해 가속된 에너지인 채로 도시하지 아니한 스테지 위에 기판(88)에 조사된다.

본 실시예에서는 이온빔은 폭포처럼 커텐 형상을 이루고 기판(88)에 조사된다. 기판 전체에 걸쳐 빈틈없이 도우팬트가 미치도록 기판(88)을 주사시키면서 도핑을 한다. 도즈량은 기판의 주사속도와 이온전류치로 제어한다. 이 때의 주사방향은 도우팬트에 의해 형성되는 이 커텐면에 대해서 거의 수직으로 한다.

본 장치가 형성하는 이온의 폭포는 폭 2m이다. 본 장치는 인 또는 붕소를 도우팬트로서 반도체 재료에 첨가하는 목적으로 사용한다. 상기 이온에는 PH_y ⁺ 또는 B2H_X ⁺ 이온 외에 다량의 H₂ ⁺ 이온이 포함되어 있다. 본 실시예에서는 농도 5%정도로 수소로 희석시킨 반도체용 PH₃ 혹은 B₂H₆ 가스를 사용하였다.

이 이온흐름에 수직이고 또한 이온의 커텐면을 포함하는 방향으로 자장을 형성함으로써 이 이온흐름에 대해서 수직 방향의 힘을 이 이온흐름에 가한다. 이것은 로우렌스 힘이라 칭하는 것이다. 운동 방정식 Ma = qvB에서 이온의 자장(B)에 기인하는 가속도(a)는 이온 질량(M)에 반비례하고 이온의 전하(q)에 비례하는 것이 용이하게 판단된다. 또한, 자장 입사전의 이온흐름의 방향의 자장 입사후의 이온 속도 성분(V)은 이온의 질량(M)에 의존한다.

본 실시예의 경우는 가속되는 이온의 대다수가 전하 1의 것이므로 상술한 가속도는 이온의 질량만에 의존한다고 생각해도 된다. 본 실시예에 사용하는 가스에 포함되는 H₂ ⁺이온의 분자량은 2, PH_y ⁺이온의 분자량은 34정도, B₂H_X ⁺ 이온의 분자량은 24 내지 26쯤이다. 또 속도 성분(V)의 질량 의존을 고려하면 H₂ ⁺이온은 도우팬트를 포함하는 이온과 비교해서 10 내지 100배의 가속도를 이 이온흐름의 수직 방향으로 받을 수가 있다. 따라서 자장을 이온흐름에 더하므로서 이온흐름의 질량분리가 가능하다.

도우팬트를 포함하는 이온흐름의 방향을 거의 바꾸지 아니하고 H₂ ⁺ 이온의 흐름만을 적당히 바꾸려면은 인출 전압 1 내지 10kV쯤으로 하고 도 8에 도시한 자장의 방향으로 0.1 에서 10테슬러(tesla) 바람직하게는 0.5 에서 2테슬러의 자장을 가하면 좋다.

자장을 형성하는 장소는 인출전극의 직후로 한다. 이온의 운동 에너지가 또한 작을 때에 이온을 구부리면 작은 에너지로 이온을 크게 구부릴 수가 있기 때문이다. 인출전극(84) 직후에 구부리면 H₂ ⁺이온은 억제전극(86), 가속전극(87)중을 통과하는 일이 없고 스테지 위의 기판(88)에 이른다. 이와 같이 하면 기판 입사시의 H₂ ⁺이온의 속도를 억제할 수가 있다.

기판에 도달할 때의 H₂ ⁺이온의 입사각은 50^o정도였다. 상기한 각도는 이온이 기판내에 들어가는 데에 충분한 각도였다. 한편 도우팬트를 포함하는 이온흐름은 자장의 영향을 거의 받지 아니하고 억제전극, 가속전극중을 통과후 기판에 조사되었다. 입사각은 거의 90^o였다.

상기한 이온가속 방법에 의해 H₂ ⁺이온의 속도를 적극 억제하고 또한 도우팬트를 희망하는 깊이로 찍어 넣을 수가 있게 되었다. 등전계(等電界)중에서는 이온은 가벼우면 가벼울수록 전하가 높으면 높을수록 가속되기 쉽다. 따라서 이온흐름을 질량분리하지 아니하면 이온은 경이온일수록 고속으로 기판에 찍어 넣어진다. 즉 경이온일수록 기판 깊이 찍어 넣어진다.

그러나 본 실시예의 방법을 취하면 본 실시예에서는 경이온에 해당하는 H₂ ⁺ 이온의 기판 입사시의 속도와, 중이온에 해당하는 도우팬트를 포함하는 이온의 기판 입사시의 속도를 같은 정도 혹은 경이온의 속도를 중이온의 것보다 늦어졌다.

이와 같은 속도 제어함으로써 H₂ ⁺이온과 도우팬트를 포함하는 이온의 기판 중에서의 깊이 방향의 분포를 통과시킬 수가 있다. 이 결과, H₂ ⁺이온이 갖는 운동 에너지의 해방에 의한 열을 보다 직접적으로 도우팬트에 작용시킬 수가 있게 되었다. 이 열은 도우팬트를 포함하는 이온을 찍어 넣으므로서 형성된 격자결함의 수복(修復)과 도우팬트의 활성화에 사용되었다. 다시 이 열과 다량의 수소가 격자의 불결합수의 종단에 사용되었다.

일반적으로 말해서 도핑에 의한 손상은 반도체 재료의 특성을 현저히 떨어지게 하는 것이므로 어떠한 보수를 가하지 아니하면 아니된다. 종래는 열을 가하거나 광을 조사하는 등 어닐수단으로 손상의 회복을 도모하고 있었다. 혹은 격자 결함부분을 종단하는 목적으로 수소를 이 손상 부분에 첨가하고 어닐에 의해 수소를 격자 결함에 결합시키는 수단도 효과적이었다.

그런데 앞에 상술한 대로 질량분리를 하지 아니하고 모든 이온을 수직으로 입사시키면 중이온의 입사속도 V_α와 경이온의 입사속도 V_β에는 V_α << V_β라는 관계가 있으므로, 비교적 가벼운 수소이온은 반도체막 깊이 분포하는(도 10B)데 대해 비교적 무거운 이온은 이 막의 얕은 부분에 분포한다(도 10a).

즉, 앞의 중심 깊이 d₂와 후자의 중심 깊이 d₁의 사이에는 d₁ << d₂라는 관계가 생긴다. 따라서 수소이온의 분포와 도우팬트에 의한 격자결함의 분포에 어긋남이 생기고 이 수소이온이 이 결함수복에 효율적으로 사용되지 못한다.

그러나 본 실시예에 표시한 방법으로 이온의 질량분리를 하고 입사속도를 거의 같게 하면 이 수소이온의 침입깊이(도 10d)와 도우팬트의 분포(도 10c)가 근접 혹은 일치하고 그 결과 현저히 손상의 수복 효과가 향상하였다. 수복 효과는 이 수소이온의 격자결함의 종단 효과와 이 수소이온과 도우팬트를 포함하는 이온이 막중에서 운동 에너지를 상실함으로써 생기는 열어닐 효과이다.

본 효과는 종래 행해져 온 도핑 후의 처리(앞단에 상술한 것)와 같은 정도의 것이었다. 이 효과는 플라즈마중의 수소이온의 농도가 높으면 높을수록 상승하나 처리량을 고려하면 이 수소이온의 플라즈마중의 농도는 50 내지 90%가 적당했다.

이온을 조사하면서 기판을 주사시킬 때, 본 실시예에서는 최초로 H₂ ⁺이온이 기판을 때리고 PH_y ⁺ 또는 B₂H_X ⁺이온 등의 도우팬트를 포함하는 이온이 때려지도록 기판 주사의 방향을 결정하였다. H₂ ⁺이온은 반도체막을 구성하는 주된 원자와 비교해서 적고 또한 가벼우므로 반도체 재료의 격자를 지나치게 파괴하는 일 없이 기판을 때리고 이 H₂ ⁺이온이 상실하는 운동 에너지에 의해 기판 온도가 상승한다.

그 후 무거운 도우팬트를 포함하는 이온이 때려진다. 이 때에 생성되는 격자결합의 수복과 도우팬트의 활성화에 상승한 기판 온도와 수소가 사용된다. 이와 같이 해서 도핑과 동시에 어닐 및 수소화를 할 수가 있다.

실시예 6

본 실시예에서는 실시예 5와 똑같은 장치를 써서 기판의 주사방향만이 변경하였다. 즉 이온을 조사하면서 기판을 주사시킬 때 먼저 PH_y ⁺ 또는 B₂ H_x ⁺이온이 때려지도록 기판을 주사하였다.

무거운 도우팬트를 포함하는 이온은 반도체막을 구성하는 주된 원자와 비교해서 같은 정도로 무거우므로 반도체의 특성을 현저히 떨어뜨릴 정도의 영향을 반도체 재료의 격자에 부여한다. 그 후 H₂ ⁺이온이 기판에 때려지고 이 H₂ ⁺이온이 잃는 운동 에너지에 의해 기판 온도가 상승한다. 이 때의 온도와 수소의 공급에 의해 격자 결함을 수복하고 도우팬트를 활성화시킨다.

본 실시예는 실시예 5와 거의 같은 정도의 결함수복과 도우팬트의 활성화의 효과가 있었다. 본 실시예는 수소이온과 도우팬트를 포함하는 이온의 기판에 때려지는 순서가 본 발명의 제효과에 영향을 미치지 아니하는 것이다.

실시예 7

도 9에 본 실시예에서 사용하는 이온 도핑장치의 개념도를 도시한다. 실시예 5, 6에서 상술한 도핑 위치와 다른 점은 이온흐름에 자장을 가하고 있는 영역에 새로운 전장을 부여하는 수단을 갖추고 있는 점이다. 상기한 수단도 실시예 1, 2의 장치와 같이 이 이온흐름의 질량분리를 가능하게 한다. 다른 점은 이상적으로는 전혀 도우팬트를 포함하는 이온의 흐름을 구부리는 일없이 질량분리가 가능한 점이다. 본 질량분리기는 E × B분리기라 칭한다.

도우팬트 가스는 고주파 전원(91)으로부터 고주파 전력이 부가된 플라즈마 발생전극(92, 93)에 의해 이온화된다. 이 이온은 인출전극(94)에 의해 인출된다.

다시 이온빔에 자장을 가하는 수단(95) 및 전극(96)에 의해 이온은 분리되고 경이온(수소를 주성분으로 하는 수온)은 크게 편향한다. 한편 중이온(도우팬트를 포함하는 이온)의 편향은 약간이다. 본 실시예의 장치에서는 중이온의 통과로에는 억제전극(97), 가속전극(98)을 설치하고, 이 이온빔이 선택적으로 가속되고 기판에 조사된다. 그러나 경이온에 관해서는 통로에 가속전극이 설치되어 있지 아니함으로써 인출전극(94)에 의해 가속된 에너지인 채로 도시하지 아니한 스테지 위의 기판(99)에 조사된다.

본 실시예에서도 이온은 폭포와 같이 커텐형을 이루고 기판(99)에 조사된다. 기판 전체에 상관없이 도우팬트가 미쳐지도록 기판을 주사시키면서 도핑을 한다. 도즈량은 기판의 주사속도와 이온전류치로 제어한다. 이 때의 주사방향은 도우팬트에 의해 형성되는 이 커텐면에 대해서 거의 수직으로 한다.

본 장치가 형성하는 이온의 폭포는 폭 2m이다. 본 장치는 인 또는 붕소를 도우팬트로 하여 반도체 재료에 첨가하는 목적으로 사용한다. 이온에는 PH_y ⁺ 또는 B₂H_x ⁺이온 외에 다량의 H₂ ⁺이온이 포함되어 있다. 본 실시예에서는 농도 5%정도로 수소로 희석한 반도체용 PH₃ 혹은 B₂H₆가스를 사용하였다.

이 이온흐름에 수직이고 또한 이온의 커텐면을 형성하므로서 이 이온흐름에 대해서 수직 방향의 힘을 이 이온흐름에 더한다. 이것은 로우렌스 힘이라 칭하는 것이다. 운동 방정식 F = qvB - qE에서 이온흐름이 받는 가로 향한 힘(F)을 알 수 있다. 이온흐름을 구부리지 아니하기 위해서는 F를 0으로 하면 된다.

또한 자장 입사전의 이온흐름의 방향의 자장 입사후의 속도 성분(V)은 이온의 질량(M)에 의존하므로 도우팬트를 포함하는 이온의 속도(V)를 상술한 운동 방정식에 대입하고 힘(F)이 0으로 되도록 자장(B)과 전장(E)을 조절하면 된다. 이 때 수소이온은 도우팬트를 포함하는 이온의 속도(V)와는 다른 속도를 가지고 있으므로 0이 아닌 힘(F)을 받는다. 따라서 본 장치에 의해 질량분리가 가능한 것을 알 수 있다.

H₂ ⁺이온의 흐름을 적당히 바꾸려면은 인출 전압을 1 내지 10kV 정도로 하고 도 9에 도시한 자장의 방향에 0.1 에서 10테슬러 정도, 바람직하기로는 0.5 에서 2테슬러 정도의 자장을 가하면 좋다.

자장을 형성하는 장소는 인출전극(94)의 직후로 한다. 이온의 운동 에너지가 아직 작은 중에 이온을 구부리면 작은 에너지로 이온을 크게 구부릴 수가 있기 때문이다. 인출전극(94) 직후에서 구부려진 H₂ ⁺이온은 억제전극(97), 가속전극(98)중을 통과하는 일 없이 스테지위의 기판에 이른다. 이와 같이 하면 기판 입사시의 H₂ ⁺이온의 속도를 억제할 수가 있다.

기판에 달한 때의 H₂ ⁺이온의 입사각은 45^o정도이다. 상기 각도는 이온이 기판내에 들어가는 데에 충분한 각도이다. 한편 도우팬트를 포함하는 이온흐름은 E × B분리기의 영향을 거의 받지 아니하고 억제전극(97), 가속전극(98)중을 통과 후 기판에 조사되었다.

상기한 이온가속 방법은 실시예 5, 6에서 도시한 방법과 같은 효과를 초래하였다. 본 실시예의 실시예 5, 6에 이길 수 있는 점은 도우팬트를 포함하는 이온이 거의 곧게 기판에 도달하기 위해 인출전극(94), 억제전극(97), 가속전극(98)을 작게 할 수 있는 것이다. 그러나 E × B분리기는 구조가 약간 복잡하기 때문에 설계 보수의 면에서 실시예 5, 6의 편이 뛰어나다. 또한 본 실시예는 실시예 5, 6에서 표시한 바와 같은 기판의 주사방향에 의하지 아니하고 효과적이었다.

본 발명에 의해 큰 면적의 처리가 가능한 이온 도핑장치가 얻어진다. 또한 어닐 공정, 수소화 공정을 필요로 하지 아니하는 또는 그들의 공정의 처리 시간을 단축하고 또는 처리 온도를 저감할 수도 있게 된다. 발명에 의해 보존되는 효과는 상술한 데로이다. 이와 같이 본 발명은 공업상 유익한 것이다.

도 1은 종래의 이온 도핑장치의 이온원· 가속장치의 개략을 도시하는 도면.

도 2a 및 2b는 종래의 이온 도핑장치의 구성의 개략을 도시하는 도면.

도 3a 및 3b는 본 발명의 이온 도핑장치의 구성의 개략을 도시하는 도면.

도 4는 실시예 1의 이온 도핑장치의 이온원· 가속장치의 개략과 전극의 형상의 개략을 도시하는 도면.

도 5a 내지 5c는 실시예 2의 이온 도핑장치의 이온원· 가속장치의 개략과 동작 원리 등을 도시하는 도면.

도 6a 내지 6e는 실시예 3의 이온 도핑장치의 이온원· 가속장치의 개략과 동작 원리 등을 도시하는 도면.

도 7a 및 7b는 실시예 4의 이온 도핑장치의 구성의 개략을 도시하는 도면.

도 8은 실시예 5 및 6의 이온 도핑장치의 이온원· 가속장치의 개략을 도시하는 도면.

도 9는 실시예 7의 이온 도핑장치의 이온원· 가속장치의 개략을 도시하는 도면.

도 10의 (a) 내지 (d)는 이온의 입사속도와 침입 깊이의 관계를 도시하는 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1, 21 : 고주파 전원 2 : 매칭박스

3, 23 : 플라즈마 발생용 전극 4, 24 : 플라즈마 공간

5 : 절연체 6, 26 : 플라즈마 발생용 전극

7, 27, 33 : 가속전원 8, 28 : 인출전원

9, 29 : 억제전원 10, 30 : 인출전극

11, 31 ; 억제전극 12, 32 : 가속전극

13 : 이온원· 가속장치 14 : 전원장치

15 : 도핑실 16 : 피도핑재

17 : 기판홀더 18 : 가스라인

19 : 가스박스 20 : 배기장치

34, 35 : 자장 36 : 슬릿

Claims (70)

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40. 도우팬트 가스(dopant gas)의 이온을 생성하기 위한 이온원(ion source)과;

    상기 도우팬트 가스의 이온 흐름을 형성하기 위하여 상기 도우팬트 가스의 이온을 인출하기 위한 인출 전극(extraction electrode)과;

    기판을 향하여 상기 도우팬트 가스의 이온 흐름을 가속시키기 위한 가속 전극과;

    상기 기판을 유지하기 위한 기판 홀더(holder) 및;

    상기 인출 전극과 가속 전극사이에 위치되며, 여기에서 코일의 직경은 상기 이온의 흐름이 하방으로 연장될 때에 단조 감소(monotonically decreased)되는 코일을 포함하는 이온 도핑 장치.
41. 긴 단면 형상을 가지는 이온 흐름을 발생시키기 위한 수단과;

    상기 이온 흐름을 포커스(focus)하며, 여기에서 코일의 직경은 상기 이온 흐름의 플로우(flow)가 하방으로 연장될 때에 단조 감소하는 코일과;

    상기 이온 흐름의 긴 단면 형상과 거의 평행한 방향으로 상기 이온 흐름에 대하여 자장을 인가하기 위한 수단과;

    상기 이온 흐름의 부분을 절단하기 위한 슬릿(slit)및;

    상기 이온 흐름의 긴 단면 형상에 거의 수직인 방향으로 이동하는 스테이지(stage)를 포함하는 이온 도핑 장치.
42. 제 41 항에 있어서, 긴 단면 형상을 가지는 레이저 빔을 조사(irradiate)하기 위한 수단을 또한 포함하는 이온 도핑 장치.
43. 제 41 항에 있어서, 상기 자장은 0.1 내지 10 테슬러(tesla)의 크기를 가지는 이온 도핑 장치.
44. 긴 단면 형상을 가지는 이온 흐름을 발생시키기 위한 수단과;

    상기 이온 흐름을 포커스(focus)하며, 여기에서 코일의 직경은 상기 이온 흐름의 플로우(flow)가 하방으로 연장될 때에 단조 감소하는 코일과;

    제 1 자장에 의하여 포커스된 이온 흐름을 가속하기 위한 수단과;

    상기 이온 흐름의 긴 단면 형상과 거의 평행한 방향으로 상기 이온 흐름에 대하여 자장을 인가하기 위한 수단 및;

    상기 이온 흐름의 긴 단면 형상에 거의 수직인 방향으로 이동하는 스테이지(stage)를 포함하는 이온 도핑 장치.
45. 제 44 항에 있어서, 긴 단면 형상을 가지는 레이저 빔을 조사(irradiate)하기 위한 수단을 또한 포함하는 이온 도핑 장치.
46. 제 44 항에 있어서, 상기 자장은 0.1 내지 10 테슬러(tesla)의 크기를 가지는 이온 도핑 장치.
47. 긴 단면 형상을 가지는 이온 흐름을 발생시키기 위한 수단과;

    상기 이온 흐름에 대하여 제 1 자장을 인가하기 위한 수단 및;

    상기 제 1 자장을 인가한 이후에 이온 흐름에 제 2 자장을 인가하기 위한 수단을 포함하고,

    상기 제 1 자장은 제 2 자장과 동일한 크기를 가지며, 상기 제 2 자장과 반대 방향을 가지는 이온 도핑 장치.
48. 제 47 항에 있어서, 상기 이온 흐름을 포커스하기 위한 코일을 또한 포함하는 이온 도핑 장치.
49. 제 47 항에 있어서, 상기 제 1 자장을 인가하기 위한 수단과, 제 2 자장을 인가하기 위한 수단사이에서의 슬릿을 또한 포함하는 이온 도핑 장치.
50. 제 47 항에 있어서, 긴 단면 형상을 가지는 레이저 빔을 조사(irradiate)하기 위한 수단을 또한 포함하는 이온 도핑 장치.
51. 긴 단면 형상을 가지는 이온 흐름을 발생시키기 위한 수단과;

    상기 이온 흐름에 대하여 제 1 자장을 인가하기 위한 수단과;

    상기 제 1 자장을 인가한 이후에 이온 흐름에 제 2 자장을 인가하기 위한 수단 및;

    상기 이온 흐름의 긴 단면 형상에 거의 수직인 방향으로 이동하는 스테이지를 포함하고,

    상기 제 1 자장은 제 2 자장과 동일한 크기를 가지며, 상기 제 2 자장과 반대 방향을 가지는 이온 도핑 장치.
52. 제 51 항에 있어서, 상기 이온 흐름을 포커스하기 위한 코일을 또한 포함하는 이온 도핑 장치.
53. 제 51 항에 있어서, 상기 제 1 자장을 인가하기 위한 수단과, 제 2 자장을 인가하기 위한 수단사이에서의 슬릿을 또한 포함하는 이온 도핑 장치.
54. 제 51 항에 있어서, 긴 단면 형상을 가지는 레이저 빔을 조사하기 위한 수단을 또한 포함하는 이온 도핑 장치.
55. 긴 단면 형상을 가지는 이온 흐름을 발생시키기 위한 수단 및;

    상기 이온 흐름을 적어도 2개의 이온 흐름으로 질량분리하기 위하여 자장과 전기장을 동시에 상기 이온 흐름에 인가하기 위한 수단을 포함하는 이온 도핑 장치.
56. 제 55 항에 있어서, 긴 단면 형상을 가지는 레이저 빔을 조사하기 위한 수단을 또한 포함하는 이온 도핑 장치.
57. 제 55 항에 있어서, 상기 자장은 0.1 내지 10 테슬러(tesla)의 크기를 가지는 이온 도핑 장치.
58. 제 55 항에 있어서, 상기 2개의 이온 흐름중의 단지 하나를 가속시키기 위한 가속 전극을 또한 포함하는 이온 도핑 장치.
59. 긴 단면 형상을 가지는 이온 흐름을 발생시키기 위한 수단과;

    상기 이온 흐름을 적어도 2개의 이온 흐름으로 질량분리하기 위하여 자장과 전기장을 동시에 상기 이온 흐름에 인가하기 위한 수단 및;

    상기 이온 흐름의 긴 단면 형상에 거의 수직인 방향으로 이동하는 스테이지(stage)를 포함하는 이온 도핑 장치.
60. 제 59 항에 있어서, 긴 단면 형상을 가지는 레이저 빔을 조사하기 위한 수단을 또한 포함하는 이온 도핑 장치.
61. 제 59 항에 있어서, 상기 자장은 0.1 내지 10 테슬러(tesla)의 크기를 가지는 이온 도핑 장치.
62. 제 59 항에 있어서, 상기 2개의 이온 흐름중의 단지 하나를 가속시키기 위한 가속 전극을 또한 포함하는 이온 도핑 장치.
63. 긴 단면 형상을 가지는 이온 흐름을 발생시키기 위한 수단과;

    상기 이온 흐름에 제 1 자장을 인가하기 위한 수단과;

    상기 제 1 자장을 인가한 이후에 이온 흐름에 제 2 자장을 인가하기 위한 수단과;

    상기 제 1 자장을 인가하기 위한 수단과, 상기 제 2 자장을 인가하기 위한 수단사이에 제공되는 슬릿을 포함하고,

    상기 제 1 자장은 제 2 자장과 거의 동일한 크기를 가지며, 상기 제 2 자장과 반대 방향을 가지는 이온 도핑 장치.
64. 제 63 항에 있어서, 상기 이온 흐름을 포커스하기 위한 코일을 또한 포함하는 이온 도핑 장치.
65. 제 63 항에 있어서, 상기 제 1 자장을 인가하기 위한 수단과, 제 2 자장을 인가하기 위한 수단사이에서 슬릿을 또한 포함하는 이온 도핑 장치.
66. 제 63 항에 있어서, 긴 단면 형상을 가지는 레이저 빔을 조사하기 위한 수단을 또한 포함하는 이온 도핑 장치.
67. 긴 단면 형상을 가지는 이온 흐름을 발생시키기 위한 수단과;

    상기 이온 흐름에 제 1 자장을 인가하기 위한 수단과;

    상기 제 1 자장을 인가한 이후에 이온 흐름에 제 2 자장을 인가하기 위한 수단과;

    상기 제 1 자장을 인가하기 위한 수단과, 상기 제 2 자장을 인가하기 위한 수단사이에 제공되는 슬릿 및;

    상기 이온 흐름의 긴 단면형상에 거의 수직인 방향으로 이동하는 스테이지를 포함하고,

    상기 제 1 자장은 제 2 자장과 거의 동일한 크기를 가지며, 상기 제 2 자장과 반대 방향을 가지는 이온 도핑 장치.
68. 제 67 항에 있어서, 상기 이온 흐름을 포커스하기 위한 코일을 또한 포함하는 이온 도핑 장치.
69. 제 67 항에 있어서, 상기 제 1 자장을 인가하기 위한 수단과, 제 2 자장을 인가하기 위한 수단사이에서 슬릿을 또한 포함하는 이온 도핑 장치.
70. 제 67 항에 있어서, 긴 단면 형상을 가지는 레이저 빔을 조사하기 위한 수단을 또한 포함하는 이온 도핑 장치.