KR100571069B1 - 열처리 중에 제어된 저 레벨의 산소 분위기를 이용하여반도체 웨이퍼 내에 얕은 접합을 형성하는 방법 - Google Patents

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Abstract

도펀트 물질이 주입된 반도체 웨이퍼 내에 얕은 접합을 형성하는 방법이 제공된다. 도펀트 물질은 열처리실 내에서 선택된 온도에서 선택된 시간 동안 반도체 웨이퍼를 열처리함으로써 활성화된다. 도펀트 물질의 활성화 중에 열처리실 내의 산소 농도는 열처리실이 처리 가스로 채워질 때 전형적으로 존재하는 배경 레벨보다 작은 선택된 레벨로 또는 그에 가깝게 제어된다. 산소 농도는 1000ppm보다 작은 범위 내의 선택된 레벨로 또는 그에 가깝게 제어될 수 있으며, 바람직하게는 약 30-300ppm 범위 내의 선택된 레벨로 또는 그에 가깝게 제어된다. 이 방법은 주입된 붕소 또는 BF2 이온에 대해 특히 유용하지만, 임의의 도펀트 물질에 이용될 수도 있다.
반도체 장치, 도펀트 물질, 이온 주입, 열처리, 얕은 접합

Description

열처리 중에 제어된 저 레벨의 산소 분위기를 이용하여 반도체 웨이퍼 내에 얕은 접합을 형성하는 방법{METHOD FOR FORMING SHALLOW JUNCTIONS IN SEMICONDUCTOR WAFERS USING CONTROLLED, LOW LEVEL OXYGEN AMBIENTS DURING ANNEALING}
본 발명은 도펀트 물질의 이온 주입과 그에 이은 도펀트 물질을 활성화시키기 위한 반도체 웨이퍼의 열처리에 의해 반도체 웨이퍼 내에 얕은 접합(shallow junctions)을 형성하는 방법에 관한 것으로, 특히 열처리실(thermal processing chamber) 내의 산소 농도를 제어함으로써 열처리 중의 도펀트 물질의 확산을 지연시키는 방법에 관한 것이다.
이온 주입(ion implantation)은 도전율을 변화시키는 도펀트 물질(dopant material)을 반도체 웨이퍼 내에 도입하는 표준 기술이다. 종래의 이온 주입 시스템에서는, 소망의 도펀트 물질을 이온 소스에서 이온화하고, 이 이온들을 가속시켜 소정 에너지의 이온빔을 형성하며, 이 이온빔을 웨이퍼의 표면으로 인도한다. 빔 내의 활발한 이온들이 반도체 재료체 내로 관통하여 반도체 재료의 결정 격자 내에 매립된다. 이온 주입에 이어서, 반도체 웨이퍼를 어닐링하여 도펀트 물질을 활성화시킨다. 어닐링(annealing)은 반도체 웨이퍼를 소정 시간 동안 소정 온도로 가 열시키는 것을 수반한다.
반도체 산업분야에서의 잘 알려져 있는 동향은 장치의 소형화, 고속화를 지향하고 있다. 특히, 반도체 장치 내의 형상물(features)의 횡방향 치수 및 깊이 양쪽 모두 감소하고 있다. 최첨단 반도체 장치는 1000Å 미만의 접합 깊이를 필요로 하며, 결국에는 대략 200Å 이하의 접합 깊이를 필요로 할지도 모른다.
도펀트 물질의 주입 깊이는 반도체 웨이퍼 내에 주입되는 이온의 에너지에 의해 결정된다. 얕은 접합은 낮은 주입 에너지로 얻어진다. 그러나, 주입된 도펀트 물질의 활성화에 이용되는 어닐링 공정으로 인해 도펀트 물질이 반도체 웨이퍼의 주입 영역으로부터 확산하게 된다. 그러한 확산의 결과, 접합 깊이가 어닐링에 의해 증가된다. 어닐링에 의해 야기되는 접합 깊이의 증가를 거스르기 위하여, 주입 에너지를 감소시킬 수 있고, 그에 따라 어닐링 후 소망의 접합 깊이가 얻어진다. 이 방법은 만족스러운 결과를 제공하지만, 매우 얕은 접합의 경우에는 예외이다. 주입 에너지를 감소시킴으로써 얻어질 수 있는 접합 깊이와 관련해서는, 어닐링 중에 발생하는 도펀트 물질의 확산 때문에, 한계에 도달한다. 게다가, 이온 주입기는 일반적으로 매우 낮은 주입 에너지에서는 비효율적으로 동작한다.
어닐링 중에 발생하는 확산을 최소화하기 위하여 고속 열처리(rapid thermal processing)가 이용될 수 있다. 그러나, 어닐링 온도의 감소와 같은, 어닐링 공정에 대한 현저한 변화는, 활성화된 도펀트 물질의 양을 감소시키고 그로 인해 반도체 장치의 동작 특성에 악영향을 미칠 것이다.
양호한 전기적 활성화를 위해 1050℃의 전형적인 온도에서 어닐링되는, 저 에너지 붕소 주입물에 대한 현 기술수준은, 1050Å을 초과하는 접합 깊이를 제공한다. 저 에너지 붕소에 대한 접합 깊이를 감소시키려는 종래의 시도들은 제한적인 성공을 이루었을 뿐이다. 초천(超淺) 접합(ultra shallow junctions)을 달성하는 데 있어서의 어려움을 설명하기 위하여, 실리콘 결정 격자가 붕소의 확산을 증진시키는, 과도 증속 확산(TED : transient enhanced diffusion) 공정이 제안되어 있다. 예를 들어, M. I. Current 등이 저술한 "20 da eV (200 eV) to 10 keV Boron Implantation and Rapid Thermal Annealing of Si(100): A SIMS and TEM Study"(4th International Workshop-Meas., Char. & Modeling of Ultra-Shallow Doping Profiles, 1997년 4월, 41.1-41.12 페이지) 및 E. J. H. Collart 등이 저술한 "Characterization of Low Energy (100 eV-10 keV) Boron Ion Implantation"(4th International Workshop-Meas., Char. & Modeling of Ultra-Shallow Doping Profiles, 1997년 4월, 6.1-6.9 페이지)을 참조하기 바란다.
A. Agarwal 등이 저술한 "Boron Enhanced Diffusion of Boron: The Limiting Factor for Ultra-Shallow Junctions"(IEDM 97, 1997년, 467-470 페이지)에서는, 붕소 증속 확산(BED)이, 1050℃에서 10초 동안 어닐링된 1 keV 미만의 에너지를 갖는 붕소 주입물에 의해 얕은 접합을 생성하는 데 있어서 제한 요인인 것으로 보고되었다. 아무리 낮은 에너지에서 붕소를 주입한다 하더라도, 심지어 1 eV 분자 빔 에피택시 성막의 경우에도, 1000Å을 초과하는 접합 깊이가 초래된다는 것이 보고되었다. 붕소 증속 확산은 격자간 원자들을 실리콘 내에 주입하고 이 증속 확산을 추진시키는 SiB4 층의 형성에 의해 초래되는 것으로 보고되었다. 이 붕소 증속 확산은 붕소 얕은 접합을 제조하는 데 있어서 제한 요인인 것으로 보고되었다.
본 출원인이 알고 있는 어떠한 종래 기술도 선택된 접합 깊이 및 시트저항의 초천 접합을 제조하기 위한 만족스러운 공정을 제공하지 못하였다. 특히, 단순히 주입 에너지를 감소시킴으로써 필요한 접합 깊이를 얻을 수 없는 경우에 그러하였다. 따라서, 반도체 웨이퍼 내에 초천 접합을 제조하기 위한 개선된 방법 및 열처리에 의해 반도체 웨이퍼 내에 주입된 도펀트 물질을 활성화시키기 위한 개선된 방법에 대한 필요성이 대두되고 있다.
<발명의 개요>
본 발명의 제1 국면에 따르면, 반도체 웨이퍼 내에 얕은 접합을 형성하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 상기 반도체 웨이퍼 내에 도펀트 물질을 주입하는 단계와, 열처리실 내에서 선택된 온도에서 선택된 시간 동안 상기 반도체 웨이퍼를 열처리함으로써 상기 도펀트 물질을 활성화시키는 단계와, 상기 도펀트 물질을 활성화시키는 단계 중에 상기 열처리실 내의 산소 농도를 제어하는 단계를 포함한다. 산소 농도는, 상기 열처리실이 처리 가스로 채워질 때 전형적으로 존재하는 배경 레벨(background level)보다 작은 선택된 레벨로 또는 그에 가깝게 제어된다.
열처리실 내의 산소 농도는 바람직하게는 B+ 또는 BF2 + 이온들이 주입된 반도체 웨이퍼에 대해 약 30 내지 300ppm(parts per million) 범위 내의 선택된 레벨로 또는 그에 가깝게 제어된다. 더욱 바람직하게는, 산소 농도는 약 30-40ppm 범위 내의 선택된 레벨로 또는 그에 가깝게 제어된다.
정화(purging) 또는 진공 펌핑(vacuum pumping)에 의해 산소 농도를 소망의 레벨 아래로 감소시킨 다음 제어된 양의 산소를 도입하여 선택된 산소 농도 레벨을 달성함으로써 산소 농도를 제어할 수 있다. 다른 방법으로는, 선택된 산소 농도 레벨로 또는 그에 가깝게 산소를 함유하는 처리 가스로 열처리실을 도로 채울 수도 있다. 선택된 산소 농도 레벨은 임의의 적합한 가스 제어 기술을 이용하여 설정하고 제어할 수 있다.
본 발명의 방법은 유리하게는 저 에너지 붕소 주입물과 관련하여 1000Å 미만의 접합 깊이를 생성하는 데 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 국면에 따르면, 반도체 웨이퍼 내에 얕은 접합을 형성하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 상기 반도체 웨이퍼 내에 도펀트 물질을 주입하는 단계와, 열처리실 내에서 선택된 온도에서 선택된 시간 동안 상기 반도체 웨이퍼를 열처리함으로써 상기 도펀트 물질을 활성화시키는 단계와, 상기 도펀트 물질을 활성화시키는 단계 중에 상기 열처리실 내의 산소 농도를 제어하는 단계를 포함한다. 열처리실 내의 산소 농도는, 1000ppm 미만의 선택된 레벨로 또는 그에 가깝게 제어된다.
본 발명의 또 다른 국면에 따르면, 반도체 웨이퍼 내의 주입된 도펀트 물질을 활성화시키는 방법이 제공된다. 상기 반도체 웨이퍼는 열처리실 내에서 선택된 온도에서 선택된 시간 동안 어닐링된다. 열처리실 내의 산소 농도는, 열처리실이 처리 가스로 채워질 때 전형적으로 존재하는 배경 레벨보다 작은 선택된 레벨로 또 는 그에 가깝게 제어된다.
본 발명의 또 다른 국면에 따르면, 반도체 웨이퍼의 열처리 방법이 제공된다. 주입된 도펀트 물질을 갖는 반도체 웨이퍼가 열처리실 내에 배치된다. 열처리실 내의 산소 농도를 0(zero) 또는 그에 가까운 레벨까지 감소시킨다. 그런 다음, 열처리실이 처리 가스로 채워질 때 전형적으로 존재하는 배경 레벨보다 작은 선택된 레벨로 또는 그에 가깝게 산소를 열처리실 내로 도입한다. 열처리실 내의 산소 농도가 선택된 농도 레벨로 또는 그에 가깝게 제어된 상태에서 열처리실 내에서 선택된 온도에서 선택된 시간 동안 상기 반도체 웨이퍼를 열처리함으로써 도펀트 물질을 활성화시킨다.
본 발명의 방법은 붕소 얕은 접합의 깊이에 대한 이전에 보고된 제한 요인들을 극복하여, 1 keV에서 훨씬 얕은 접합을 제공하고 에너지가 더욱 감소됨에 따라서 더욱 얕은 접합을 제공한다. 붕소 증속 확산은 저 에너지 주입에 의한 얕은 접합의 제조를 방해하는 제한 요인이 아님이 판명되었다.
도 1은 반도체 웨이퍼의 간략화된 부분 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 열처리 시스템의 일례의 블록도.
도 3은 본 발명에 따른 얕은 접합 형성 방법의 일례를 도시하는 흐름도.
도 4는 반도체 웨이퍼 내의 깊이의 함수로서 나타낸 붕소 농도의 그래프로서, 열처리 중에 이용된 서로 다른 여러 산소 농도 레벨들에 대해 도시한 도면.
도 5는 산소 농도의 함수로서 나타낸 접합 깊이 및 시트 고유 저항의 그래프 로서, 1 keV 붕소 및 5 keV BF2를 주입하고 1050℃에서 10초 동안 어닐링한 웨이퍼들에 대해 도시한 도면.
도 6은 반도체 웨이퍼 내의 깊이의 함수로서 나타낸 붕소 농도의 그래프로서, 열처리 중에 이용된 서로 다른 여러 산소 농도 레벨들에 대해 도시한 도면.
도 7은 산소 농도의 함수로서 나타낸 접합 깊이 및 시트 고유 저항의 그래프로서, 1 keV 붕소 및 5 keV BF2를 주입하고 1100℃에서 10초 동안 어닐링한 웨이퍼들에 대해 도시한 도면.
도 8은 산소 농도의 함수로서 나타낸 접합 깊이 및 시트 고유 저항의 그래프로서, 1 keV 붕소 및 5 keV BF2를 주입하고 1000℃에서 10초 동안 어닐링한 웨이퍼들에 대해 도시한 도면.
도 9는 산소 농도의 함수로서 나타낸 접합 깊이 및 시트 고유 저항의 그래프로서, 1 keV 붕소 및 5 keV BF2를 주입하고 950℃에서 10초 동안 어닐링한 웨이퍼들에 대해 도시한 도면.
도 10은 산소 농도의 함수로서 나타낸 접합 깊이 및 시트 고유 저항의 그래프로서, 2.0 keV 비소를 주입하고 1050℃에서 10초 동안 어닐링한 웨이퍼들에 대해 도시한 도면.
도 11은 산소 농도의 함수로서 나타낸 접합 깊이 및 시트 고유 저항의 그래프로서, 2.0 keV 비소를 주입하고 1000℃에서 10초 동안 어닐링한 웨이퍼들에 대해 도시한 도면.
도 12는 산소 농도의 함수로서 나타낸 접합 깊이 및 시트 고유 저항의 그래프로서, 2.0 keV 비소를 주입하고 1100℃에서 10초 동안 어닐링한 웨이퍼들에 대해 도시한 도면.
도 13은 산소 농도의 함수로서 나타낸 접합 깊이 및 시트 고유 저항의 그래프로서, 2.0 keV 비소를 주입하고 950℃에서 10초 동안 어닐링한 웨이퍼들에 대해 도시한 도면.
본 발명을 더 잘 이해하기 위하여, 본 명세서에 참고로 편입되어 있는 하기의 첨부 도면을 참조한다.
반도체 웨이퍼(10)의 간략화된 부분 단면도가 도 1에 도시되어 있다. 이 기술분야에 공지되어 있는 바와 같이, 이온 주입에 의해 반도체 웨이퍼 내에 불순물 영역을 형성할 수 있다. 도펀트 물질의 이온빔(12)을 웨이퍼(10)에 인도하여, 주입 영역(14)을 생성한다. 그런 다음, 웨이퍼(10)를, 일반적으로 고속 열처리기 내에서, 어닐링하여 도펀트 물질을 활성화시킨다. 어닐링 처리는 주입 영역(14)보다 큰 불순물 영역(20)까지 도펀트 물질의 확산을 일으킨다. 불순물 영역(20)은 접합 깊이 Xj가 특징인데, 이 Xj는 웨이퍼(10)의 표면에 대한 불순물 영역(20)의 수직 깊이이다. 접합 깊이는, 부분적으로, 이온빔(12)의 에너지 및 어닐링 처리의 파라미터에 의존한다. 어닐링 중에 일어나는 접합 깊이의 증가는 본 발명에 따라 제한된다.
본 발명에 따르면, 열처리실 내의 산소 농도는, 산소 농도가 제어되지 않은 종래 기술에 따라서 열처리실이 처리 가스로 채워질 때 전형적으로 존재하는 배경 레벨보다 작은 선택된 레벨로 또는 그에 가깝게 제어된다. 이 배경 레벨은 일반적으로 1000ppm 이상이며 제어되지 않는다. 본 발명에 따르면, 산소 농도는 바람직하게는 1000ppm 미만의 선택된 레벨로 또는 그에 가깝게 제어되며, 더욱 바람직하게는 약 30 내지 300ppm 범위 내의 선택된 레벨로 또는 그에 가깝게 제어된다. 본 발명은 도펀트 물질이 붕소 또는 이불화붕소(BF2)이고 필요한 접합 깊이가 약 1000Å 미만일 경우 초천 접합을 형성하는 데에 특히 유용하다. 그러나, 본 발명은 이러한 응용에 제한되지 않고 비소와 인(이들에 제한되지 않음)을 포함하는 다른 도펀트 물질의 활성화에 응용될 수도 있다.
본 발명에 따른 반도체 웨이퍼의 열처리를 위한 시스템의 일례의 블록도가 도 2에 도시되어 있다. 열처리기(thermal processor)(50)는 열처리실(54) 내에 설치된 히터(52)를 포함한다. 선택된 온도에서 선택된 시간 동안의 열처리를 위해 반도체 웨이퍼(6)가 히터(52)에 근접하게 배치된다. 적합한 열처리기(50)의 예로는, STEAG AST 일렉트로닉스사가 제조한 모델명 SH 2800∈와 같은 고속 열처리기가 있다. 그러나, 본 발명의 범위 내에서 상이한 고속 열처리기 또는 종래의 열처리 오븐이 이용될 수도 있다.
열처리실(54)은 인입 포트(inlet port)(64)를 통하여 가스 제어 시스템(gas control system)(62)으로부터 처리 가스를 받아들인다. 처리 가스는 배기 포트(exhaust port)(66)를 통하여 열처리실(54)을 빠져나간다. 가스 제어 시스템(62)은 처리 가스 공급원(process gas source)(70) 및 산소 공급원(oxygen source)(72)을 포함할 수 있다. 처리 가스 공급원(70)은 전형적으로 질소 공급원이지만 아르곤과 암모니아(이들에 제한되지 않음)를 포함하는 다른 적합한 처리 가스를 공급할 수도 있다. 가스 공급원(70)은 유량 제어기(mass flow controller)(74)를 통하여 열처리기(50)의 인입 포트(64)에 가스를 공급한다. 산소 공급원(72)은 유량 제어기(76)를 통하여 열처리기(54)의 인입 포트(64)에 산소를 공급한다. 유량 제어기들(74 및 76)의 적절한 조정에 의해, 열처리실에 공급되는 산소 및 처리 가스의 상대 농도가 제어될 수 있다. 열처리실(54) 내의 산소 농도를 측정하기 위하여 산소 모니터(80)가 출력 포트(66)에 연결된다. 일례에서, 유량 제어기들(74 및 76)은 각각 Bronkhorst Hi-Tec F2000 시리즈일 수 있다.
본 발명과 관련된 처리 단계들의 흐름도가 도 3에 도시되어 있다. 단계(100)에서는, 도펀트 물질이 반도체 웨이퍼 내로 주입된다. 반도체 웨이퍼 내에 소망의 깊이의 불순물 영역 및 도전율을 생성하기 위하여 도펀트 물질의 종류(species), 주입량(dose) 및 에너지가 선택된다. 상술한 바와 같이, 도펀트 물질은 붕소, BF2, 비소, 인 또는 다른 소망의 도펀트 물질일 수 있다. 본 발명은 붕소 및 BF2 주입과 관련하여 특히 유리하다. 주입 에너지는 전형적으로 10 keV 미만이며 초천 접합을 달성하기 위하여 2 keV 미만일 수도 있다. 본 발명의 방법은 2 keV 이하의 붕소 주입물에 특히 유용하며 2 keV 미만의 주입 에너지에서 보다 현 저한 결과를 제공한다. 일례로서, 도펀트 물질은 Varian Associates, Inc 사가 제조 판매하는 모델명 VIIS ion 80 PLUS를 이용하여 주입될 수 있다.
단계(102)에서는, 도 2에 도시되고 상술한 것과 같은 열처리기 내에 웨이퍼가 배치된다. 단계(104)에서는, 열처리실(54)에서 산소가 제거된다. 이것은 산소 공급원(72)에 연결된 유량 제어기(76)를 끄고서 처리 가스 공급원(70)으로부터의 가스를 열처리실(54)을 통하여 흘림으로써 달성될 수 있다. 전형적으로, 질소가 처리 가스로서 이용된다. 산소 모니터(80)가 열처리실(54) 내의 산소 농도를 0ppm 또는 그에 가깝게 가리킬 때, 유량 제어기(76)를 적절히 제어함으로써 선택된 농도 레벨로 또는 그에 가깝게 산소를 열처리실(54) 내로 도입한다(단계(108)). 상술한 바와 같이, 선택된 산소 농도 레벨은 열처리실이 처리 가스로 채워질 때 전형적으로 존재하는 배경 레벨보다 작다. 양호한 산소 농도 레벨에 대해서는 이하에서 상세히 설명한다.
산소 모니터(80)가 가리키는 산소 농도가 선택된 산소 농도에 도달할 때, 단계(110)에서 웨이퍼(60)의 열처리가 진행될 수 있다. 웨이퍼는 선택된 시간 동안 선택된 온도에서 처리된다. 어닐링 시간 및 온도는 제조중인 반도체 장치의 소망의 특성에 의존한다. 전형적인 어닐링 처리는 약 950℃ 내지 1050℃ 범위 내의 온도 및 약 30초 또는 그 미만의 시간을 이용하지만, 이들 범위에 제한되지는 않는다. 어닐링 처리는 본 발명의 범위 내에서 서로 다른 여러 온도 변화 비율, 냉각 비율, 온도 및 시간을 포함할 수 있다. 더욱이, 매우 짧은 기간의 온도 과도 현상이 웨이퍼에 가해지는, 소위 "스파이크 어닐"(spike anneals)이 본 발명의 범위 내 에 포함된다.
종래의 어닐링 처리 중에 존재하는 산소의 배경 레벨은 전형적으로 1000ppm 이상이며 10% 정도로 높을 수도 있다는 것이 판명되었다. 더욱이, 종래의 처리에서의 산소 농도는 제어되지 않는다. 또한, 제어되지 않는 산소의 존재는 특히 붕소 주입물에 대해 얕고 재현성 있는 접합의 생성에 해롭다는 것이 판명되었다. 산소 농도를 제어하는 것은 종래의 어닐링 처리와 비교하여 재현성 및 감소된 접합 깊이를 제공하는 것으로 판명되었다. 과도 증속 확산 및 근래 규정된 붕소 증속 확산은 사실상 주로 산소 증속 확산(OED) 또는 산소 증속 TED 및 BED인 것으로 생각된다. 여기에 보고된 결과들은 열처리실 내에서 산소 농도를 매우 낮은 레벨로 제어하는 것은 초천 접합이 제조될 수 있게 함을 보여준다.
산소 농도를 1000ppm 미만의 선택된 레벨로 또는 그에 가깝게 제어하는 것은 재현성 있는 초천 접합이 제조될 수 있게 한다. 선택된 산소 농도 레벨은 어닐링 온도 및 시간, 어닐링전 산화물 또는 피복층(capping layers)의 두께, 및 주입물의 주입량, 에너지 및 종류의 함수이다. 0 또는 그에 가까운 산소 농도는 증속 확산을 최소화하지만 웨이퍼 표면의 에칭 및/또는 웨이퍼 표면으로부터의 도펀트 물질의 증발을 초래할 수 있다. 붕소 및 BF2에 대한 산소 농도는 바람직하게는 약 30-300ppm 범위 내의 선택된 레벨로 또는 그에 가깝게 제어되고, 더욱 바람직하게는 약 30-40ppm 범위 내의 선택된 레벨로 또는 그에 가깝게 제어된다. 더욱이, 산소 농도는 응용에 따라서, 선택된 레벨로 또는 그에 가깝게 또는 소정 농도 범위 내에 서 제어될 수 있다.
이상에서는, 처리 가스 공급원(70), 산소 공급원(72) 및 유량 제어기(74 및 76)를 포함하는 가스 제어 시스템(62)(도 2)과 관련하여 산소 농도의 제어에 대해 설명하였다. 일반적으로, 열처리실 내의 산소 농도를 설정하고 제어하기 위하여 임의의 적합한 가스 제어 시스템이 이용될 수 있다. 예를 들면, 열처리실은 진공 펌핑된 다음 선택된 산소 농도 레벨을 갖는 처리 가스로 도로 채워질 수도 있다.
측정 결과들이 도 4 내지 13에 도시되어 있다. 각각의 경우에, 도 2에 도시되고 상술된 시스템이 이용되었다.
도 4는 붕소 원자의 농도(단위 원자/㎤)를 웨이퍼 표면으로부터의 깊이(단위 Å)의 함수로서 나타낸 도면으로서, 여러 산소 농도들에 대해, 2차 이온 질량 분광학(SIMS : secondary ion mass spectroscopy)에 의해 측정한 결과를 보여준다. 붕소 이온은 1.0 keV의 에너지와 1E15 이온/㎠의 주입량으로 주입되었다(여기서, 1E15의 표기는 평방 센티미터당 1×1015 이온의 주입량을 나타냄). 웨이퍼들은 1050℃에서 10초 동안 어닐링되었다. 서로 다른 여러 산소 농도들에 대한 그래프 상에 이하의 파라미터들이 표시되어 있다: 시트 고유 저항 Rs; 1E17/㎤의 농도에서 측정된 접합 깊이 Xj; 유지된 주입량 Dr 및 산화물 두께 Tox. 표시된 바와 같이, 33ppm의 산소 농도에서 어닐링된 웨이퍼는 820Å의 접합 깊이 및 283Ω/sq (ohms/square)의 시트 고유 저항을 제공하였다.
1000ppm 산소 농도에서의 프로필은, 산소 농도를 감소시키기 위한 특별 조치 가 취해지지 않을 경우, 종래의 처리에서 전형적으로 얻어지는 접합 깊이 및 시트 고유 저항을 나타낸다. 본 발명의 방법을 이용하여 산소 농도를 감소시킬 경우, 접합 깊이는 산소 농도에 따라서 계속해서 감소하는 것을 주목하자. 1000ppm 산소 농도로부터 33ppm 산소 농도까지, 접합 깊이는 총 320Å 감소한다.
도 5는 산소 농도(단위 ppm)의 함수로서 나타낸 접합 깊이 Xj(단위 Å) 및 시트 고유 저항 Rs(단위 Ω/sq)의 그래프로서, 1 keV 붕소 및 5 keV BF2가 주입된 웨이퍼들에 대해 도시하고 있다. 웨이퍼들은 1050℃에서 10초 동안 어닐링되었다. 대략 33ppm의 산소 농도에서 최소 접합 깊이가 발생한다.
도 5로부터, 약 0ppm 산소 농도에서의 1 keV 붕소는 더 이상 얕아지지 않은 것과, 표면 증발 또는 실리콘 표면의 에칭으로 인한, 도펀트 물질의 외부확산(out-diffusion) 때문에 시트 고유 저항이 증가한 것을 알 수 있다. 산화물이 제자리에 남겨지거나, 또는 주입물의 주입량 및/또는 에너지가 매우 커서 0ppm과 33ppm 사이의 산소 농도 레벨에서의 동작이 선호되는 것과 같은 상황이 있을 수 있다.
게다가, 도 5는 "등가 에너지"의 BF2 주입물을 상기 1 keV 붕소 주입물과 비교한다. 양 접합 깊이는 산소 농도를 약 33ppm까지 감소시킴에 따라서 감소하고, BF2 주입물이 더욱 얕아진다. 33ppm 산소 농도에서, 접합 깊이는 동등해진다. 양쪽 모두 33ppm 아래에서 시트 고유 저항의 증가를 보여준다. 이 예에서, 33ppm 산소 농도는, 양쪽 모두의 경우에 대해, 얕은 접합 깊이와 최소의 시트 고유 저항과의 균형을 위한 양호한 최적 점을 제공한다.
도 6은 1 keV 및 1E15 이온/㎠으로 주입된 붕소 이온들에 대해 깊이(단위 Å)의 함수로서 나타낸 붕소 농도(단위 원자/㎤)의 그래프로서, 여러 산소 농도들에 대해 도시하고 있다. 웨이퍼들은 1000℃에서 10초 동안 어닐링되었다. 접합 깊이 Xj 및 시트 고유 저항 Rs가 표시되어 있다.
도 6에서, 1000ppm 산소 농도 프로필은 종래의 고속 열처리 어닐링으로부터의 전형적인 프로필이다. 1000ppm 산소 농도에서, 접합 깊이는 860Å이고, 시트 고유 저항은 347Ω/sq이다. 접합 깊이는, 0ppm 산소 농도에서, 710Å까지 감소한다. 시트 고유 저항은 0ppm에서 406Ω/sq까지 증가한다. 산소 농도 레벨에 대한 최적의 선택은, 목적에 따라서 사용자가 선택할 수 있다. 이 예에서(1000℃에서), 최적의 선택은 아마도 0과 33ppm 사이의 산소 농도일 것이다.
도 7은 산소 농도(단위 ppm)의 함수로서 나타낸 접합 깊이 Xj(단위 Å) 및 시트 고유 저항 Rs(단위 Ω/sq)의 그래프로서, 1 keV 붕소 및 5 keV BF2가 주입된 웨이퍼들에 대해 도시하고 있다. 웨이퍼들은 1100℃에서 10초 동안 어닐링되었다.
도 7로부터, 1100℃와 같은 보다 높은 온도에서는, 등가의 주입 에너지(대략 1 keV 붕소)의 붕소 및 BF2 양쪽 모두 약 33ppm 산소 농도까지 접합 깊이의 감소를 보여주는 것을 알 수 있다. 그러나, 시트 고유 저항은 300ppm에서 증가하기 시작한다. 이것은 최적 산소 농도 레벨의 온도 의존성을 보여준다. 구체적으로, 1000℃에서의 최적 농도는 0ppm과 33ppm 사이이고; 1050℃에서는 약 33ppm이고; 1100℃에서는 약 300ppm이다. 그 이유는, 붕소의 외부확산 증발 속도 및 실리콘 에칭이 온도에 따라서 증가하기 때문이다. 이를 상쇄하기 위하여, 산소에 의해 제공되는 산화물층이 보다 고속으로 성장해야 하고, 따라서 보다 높은 산소 농도 레벨이 요구된다.
도 8은 산소 농도(단위 ppm)의 함수로서 나타낸 접합 깊이 Xj(단위 Å) 및 시트 고유 저항 Rs(단위 Ω/sq)의 그래프로서, 1 keV 붕소 및 5 keV BF2가 주입된 웨이퍼들에 대해 도시하고 있다. 웨이퍼들은 1000℃에서 10초 동안 어닐링되었다.
도 8은 1000℃ 어닐링에 대한 온도 효과를 보여준다. 붕소 접합 깊이는 아래로 0ppm 산소 농도까지 계속해서 감소하고, 시트 저항은 33ppm과 0ppm 사이의 산소 농도에서 증가하지만, 1050℃와 1100℃에서보다 속도가 느린 것에 주목하자.
도 9는 산소 농도(단위 ppm)의 함수로서 나타낸 접합 깊이 Xj(단위 Å) 및 시트 고유 저항 Rs(단위 Ω/sq)의 그래프로서, 1 keV 붕소 및 5 keV BF2가 주입된 웨이퍼들에 대해 도시하고 있다. 웨이퍼들은 950℃에서 10초 동안 어닐링되었다. 접합 깊이는 보다 낮은 어닐링 온도에서 산소 농도에 대해 덜 민감하다는 것을 관찰할 수 있다.
도 9는 위에서 논의한 온도 동향을 더 설명해준다. 1000ppm과 0ppm 사이의 산소 농도에서, 그 효과는 훨씬 작지만, 시트 고유 저항은 훨씬 높으며, 특히 붕소 주입물에 대해 그러하다. 이것은, 낮은 시트 고유 저항과 높은 전기적 활성화를 얻기 위하여, 1000℃ 내지 1050℃ 범위 내의 온도가 이용되어야 함을 보여준다.
도 10은 산소 농도(단위 ppm)의 함수로서 나타낸 접합 깊이 Xj(단위 Å) 및 시트 고유 저항 Rs(단위 Ω/sq)의 그래프로서, 2 keV 비소가 1E15 이온/㎠의 주입량으로 주입된 웨이퍼들에 대해 도시하고 있다. 웨이퍼들은 1050℃에서 10초 동안 어닐링되었다.
붕소 및 BF2와 비교하여, 비소는 산소 농도의 감소와 관련하여 유사하지만 덜 극적인 효과를 나타낸다. 접합 깊이는 약 300ppm에서 감소를 멈춘다. 시트 고유 저항은 약 2500ppm에서 증가하기 시작한다. 사용자의 목적에 따라서, 최적 산소 농도 레벨은 300ppm과 2500ppm 사이의 산소 농도이다. 100ppm 미만의 산소 농도에서는, 실리콘 에칭 및/또는 비소 증발이 심해져서, 시트 고유 저항이 급격히 증가하는 것에 주목하자.
도 11은 산소 농도(단위 ppm)의 함수로서 나타낸 접합 깊이 Xj(단위 Å) 및 시트 고유 저항 Rs(단위 Ω/sq)의 그래프로서, 2.0 keV 비소가 1E15 이온/㎠의 주입량으로 주입된 웨이퍼들에 대해 도시하고 있다. 웨이퍼들은 1000℃에서 10초 동안 어닐링되었다.
도 11은 1000℃에서의 비소 주입물의 온도 의존성을 보여준다. 접합 깊이는 아래로 33ppm 산소 농도까지 감소하지만, 시트 고유 저항은 300ppm 산소 농도에서 증가하기 시작한다. 이것은, 비소 어닐링에 대해 성장된 산화물은 1000℃에서 중요하고, 어닐링 중에 도펀트 물질의 증발 및/또는 실리콘 표면 에칭을 방지할 정도 로 충분히 고속으로 그 산화물을 성장시키기 위하여 300ppm 산소 농도가 필요하다는 것을 보여준다.
도 12는 산소 농도(단위 ppm)의 함수로서 나타낸 접합 깊이 Xj(단위 Å) 및 시트 고유 저항 Rs(단위 Ω/sq)의 그래프로서, 2.0 keV 비소가 1E15 이온/㎠의 주입량으로 주입된 웨이퍼들에 대해 도시하고 있다. 웨이퍼들은 1100℃에서 10초 동안 어닐링되었다.
도 12는 1100℃에서의 비소 주입물에 대한 온도 효과를 보여준다. 접합 깊이는 아래로 0ppm 산소 농도까지 계속해서 감소하지만, 시트 고유 저항은 2500ppm 산소 농도로부터 천천히 증가하여 300ppm 산소 농도로부터는 급격히 증가한다.
도 13은 산소 농도(단위 ppm)의 함수로서 나타낸 접합 깊이 Xj(단위 Å) 및 시트 고유 저항 Rs(단위 Ω/sq)의 그래프로서, 2.0 keV 비소가 1E15 이온/㎠의 주입량으로 주입된 웨이퍼들에 대해 도시하고 있다. 웨이퍼들은 950℃에서 10초 동안 어닐링되었다.
도 13은 950℃에서의 비소 주입물에 대한 온도 효과를 보여준다. 붕소 및 BF2의 경우처럼, 온도 효과는 훨씬 작지만, 시트 고유 저항은 1000℃ 및 1050℃에서보다 훨씬 높아서, 불량한 전기적 활성화를 나타낸다. 양호한 전기적 활성화 및 보다 낮은 시트 고유 저항을 달성하기 위해서는, 비소를 1000℃와 1050℃ 사이에서 어닐링하는 것이 바람직하다.
요약하면, 이하의 관찰이 이루어질 수 있다. 산소 농도를 감소시키고 제어하는 것은 모든 도펀트 물질 종류에 대해 접합 깊이를 감소시킨다. 그 효과는 붕소 및 BF2에 대해 매우 현저하다. 시트 고유 저항과 접합 깊이가 가장 양호한, 최적 산소 농도 레벨은 사용자가 어닐링의 온도 및 시간에 따라서 선택할 수 있다. 산소 농도 레벨의 범위는 붕소 및 BF2에 대해서는 최저 0 내지 1ppm에서 최고 300ppm까지 그리고 비소에 대해서는 2500ppm까지 이를 수 있다. 절충안은, 2개의 경합 현상으로부터 나온다. 첫째로, 접합 깊이는 OED, BED 및/또는 TED(종류에 의존) 때문에 산소 농도의 감소 함수이다. 둘째로, 산소는 표면상에 작은 산화물을 제공하며, 이는 도펀트 물질의 표면 증발 및/또는 실리콘의 표면 에칭에 의한 도펀트 손실을 방지하거나 최소화한다. 최적 산소 농도 레벨은 또한 어닐링 시에 기판이 본래의 산화물 또는 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물 또는 임의의 다른 층과 같은, 또 다른 피복층을 갖고 있었는지 여부에도 의존하게 된다.
이상에서는, 현재 본 발명의 바람직한 실시예라고 생각되는 것을 도시하고 설명하였지만, 첨부된 청구범위에 의해 한정되는 발명의 범위를 벗어나지 않고서 다양한 변형 및 수정이 이루어질 수 있음을 당업자라면 분명히 알 것이다.

Claims (33)

  1. 반도체 웨이퍼 내에 얕은 접합(shallow junction)을 형성하는 방법에 있어서,
    상기 반도체 웨이퍼 내에 도펀트 물질을 주입하는 단계;
    열처리실 내에서 선택된 온도에서 선택된 시간 동안 상기 반도체 웨이퍼를 열처리함으로써 상기 도펀트 물질을 활성화시키는 단계; 및
    상기 도펀트 물질을 활성화시키는 단계 중에, 상기 열처리실 내의 산소 농도를 상기 열처리실이 처리 가스로 채워질 때 존재하는 배경 레벨보다 작은 선택된 레벨로 제어하는 단계를 포함하며,
    산소 농도를 제어하는 상기 단계는, 산소 농도를 약 30-300ppm(parts per million) 범위 내의 선택된 레벨로 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 얕은 접합 형성 방법.
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  5. 제1항에 있어서, 도펀트 물질을 주입하는 상기 단계는, B+ 또는 BF2 + 이온들을 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 얕은 접합 형성 방법.
  6. 제1항에 있어서, 도펀트 물질을 주입하는 상기 단계는, B+ 이온들을 주입하는 단계를 포함하고, 산소 농도를 제어하는 상기 단계는, 산소 농도를 약 30-40ppm 범위 내의 선택된 레벨로 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 얕은 접합 형성 방법.
  7. 제1항에 있어서, 산소 농도를 제어하는 상기 단계는, 상기 열처리실 내의 산소 농도를 0(zero) 레벨까지 감소시키는 단계 및 그후 상기 선택된 농도 레벨로 산소를 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 얕은 접합 형성 방법.
  8. 제7항에 있어서, 산소 농도를 감소시키는 상기 단계는, 상기 처리 가스에 의해 상기 열처리실을 정화(purging)하는 단계를 포함하고, 산소를 도입하는 상기 단 계는, 산소 공급원(oxygen source)과 상기 열처리실 사이에 연결된 유량 제어기(mass flow controller)를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 얕은 접합 형성 방법.
  9. 제7항에 있어서, 산소 농도를 감소시키는 상기 단계는, 상기 열처리실을 진공 펌핑(vacuum pumping)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 얕은 접합 형성 방법.
  10. 제7항에 있어서, 산소를 도입하는 상기 단계는, 선택된 산소 농도 레벨로 산소를 함유하는 상기 처리 가스로 상기 열처리실을 다시 채우는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 얕은 접합 형성 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 처리 가스는 질소를 포함하는 것을 특징으로 하는 얕은 접합 형성 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 도펀트 물질을 활성화시키기 위한 상기 선택된 온도는 약 950℃ 내지 1050℃의 범위 내에 속하고, 상기 도펀트 물질을 활성화하기 위한 상기 선택된 시간은 약 30초 또는 그 미만인 것을 특징으로 하는 얕은 접합 형성 방법.
  13. 제1항에 있어서, 도펀트 물질을 주입하는 상기 단계는 B+ 이온들을 약 2 keV 또는 그 미만의 에너지 레벨로 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 얕은 접합 형성 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 얕은 접합은 약 1000Å 미만의 접합 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하는 얕은 접합 형성 방법.
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  21. 반도체 웨이퍼 내의 주입된 도펀트 물질을 활성화시키는 방법에 있어서,
    열처리실 내에서 선택된 온도에서 선택된 시간 동안 상기 반도체 웨이퍼를 열처리하는 단계; 및
    상기 열처리 단계 중에, 상기 열처리실 내의 산소 농도를 상기 열처리실이 처리 가스로 채워질 때 존재하는 배경 레벨보다 작은 선택된 레벨로 제어하는 단계를 포함하며,
    산소 농도를 제어하는 상기 단계는, 산소 농도를 약 30-300ppm 범위 내의 선택된 레벨로 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 제21항에 있어서, 산소 농도를 제어하는 상기 단계는, 상기 열처리실 내의 산소 농도를 0 레벨까지 감소시키는 단계 및 그후 상기 선택된 농도 레벨로 산소를 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 반도체 웨이퍼의 열처리 방법에 있어서,
    주입된 도펀트 물질을 갖는 반도체 웨이퍼를 열처리실 내에 배치하는 단계;
    상기 열처리실 내의 산소 농도를 0 레벨까지 감소시키는 단계;
    상기 열처리실이 처리 가스로 채워질 때 존재하는 배경 레벨보다 작은 선택된 레벨로 산소를 상기 열처리실 내로 도입하는 단계 -산소를 도입하는 상기 단계는, 산소 농도를 약 30-300ppm 범위 내의 선택된 레벨로 제어하는 단계를 포함함 - ; 및
    상기 열처리실 내의 산소 농도가 선택된 농도 레벨로 제어된 상태에서, 상기 열처리실 내에서 선택된 온도에서 선택된 시간 동안 상기 반도체 웨이퍼를 열처리함으로써 도펀트 물질을 활성화시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  27. 삭제
  28. 삭제
  29. 제26항에 있어서, 산소 농도를 감소시키는 상기 단계는, 상기 열처리실을 진공 펌핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  30. 제26항에 있어서, 산소를 도입하는 상기 단계는, 선택된 산소 농도 레벨로 산소를 함유하는 상기 처리 가스로 상기 열처리실을 다시 채우는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  31. 제26항에 있어서, 산소를 도입하는 상기 단계는, 산소 공급원과 상기 열처리실 사이에 연결된 유량 제어기를 조절하여 상기 열처리실 내에 상기 선택된 농도 레벨의 산소를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
  32. 삭제
  33. 제26항에 있어서, 상기 도펀트 물질을 활성화시키기 위한 상기 선택된 온도는 약 950℃ 내지 1050℃의 범위 내에 속하고, 상기 항펀트 물질을 활성화하기 위한 상기 선택된 시간은 약 30초 또는 그 미만인 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
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