KR100985880B1 - 플라즈마 도핑 장비의 모니터링 방법 - Google Patents

플라즈마 도핑 장비의 모니터링 방법 Download PDF

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Abstract

제1 도전형의 반도체기판에 제2 도전형의 도펀트를 이온주입하는 단계와, 반도체기판을 플라즈마 도핑 장비를 사용하여 제1 도전형의 도펀트로 도핑시키는 단계와, 반도체기판을 열처리하여 도펀트들을 활성화시키는 단계, 및 도핑된 반도체기판의 면저항(sheet resistance)을 측정하고 분석하는 단계를 포함하는 플라즈마 도핑 장비의 모니터링 방법을 제시한다.
플라즈마 도핑, 이온주입, 모니터링, 면저항

Description

플라즈마 도핑 장비의 모니터링 방법{Method for monitering plasma doping apparatus}
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 모스(MOS) 트랜지스터의 제조에 사용되는 플라즈마 도핑 장비를 모니터링하는 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 크기가 급격히 줄어들면서 아주 얕은 접합(ultra-shallow junction)의 필요성이 대두되고 있다. 기존의 이온주입기(implanter)로는 에너지를 낮추면 빔 전류(beam current)도 함께 감소하게 되어 양산에서의 생산성이 현저하게 떨어지는 문제점이 있었다. 이러한 이유로 플라즈마 도핑 장비와 클러스터(cluster)가 도입되었다.
그러나, 두 장비 모두 낮은 에너지에서 높은 도우즈를 생성시키는 데는 매우 유용하지만, 기존의 이온주입기(implanter)처럼 모니터링 웨이퍼를 이용하여 데이 바이 데이(day by day)로 모니터링하는 데는 어려움이 있다. 그 이유는, 주로 보론(Boron)을 사용하는 플라즈마 도핑의 경우 도우즈가 1×1016이온/㎠ 이상으로 매우 높은 상태이며 그 대부분이 표면에 존재하므로 면저항(Rs)으로 모니터링한다고 해도 그 신뢰성이 떨어졌다. 또한, 2차 이온 현미경(Secondary Ion Spectroscopy; SIMS)으로도 도우즈의 확인이 어려운 1×1022이온/㎠ 이상의 레벨을 사용하는 경우도 있고 데이 바이 데이(day by day)로 실시해야 하는 모니터링을 매번 분석시간이 오래 걸리는 SIMS를 확인하는 데에도 어려움이 있다.
또한, 반도체 제조공정에 주로 사용되는 P형 웨이퍼를 이용하여 P형의 도펀트의 모니터링을 면저항(Rs)으로 하려면 N형 도펀트로 도핑한 후 진행하여야 하는데, N형 도펀트의 도핑 조건을 확보하기가 어렵다. 이러한 모니터링 방법상의 문제는 결국 소자 파라미터의 트렌드(trend) 이상시 플라즈마 이온 도핑의 문제인지 혹은 다른 문제인지 판단을 어렵게 한다. 그러므로 장비의 항상성 유지는 소자의 항상성 유지와 직결된 매우 중요한 문제라 할 수 있다.
본 발명은, P형의 반도체기판에 N형의 도펀트를 20 ∼ 50KeV의 에너지로 이온주입하여 반도체기판의 소정 영역을 백그라운드 도핑시키는 단계와, 백그라운드 도핑된 반도체기판에 플라즈마 도핑 장비를 사용하여 P형의 도펀트를, N형 도펀트로 백그라운드 도핑시키는 단계보다 500배 내지 1,000배 높은 도우즈로 도핑시키는 단계와, 반도체기판을 열처리하여 도펀트들을 활성화시키는 단계, 및 도핑된 반도체기판의 면저항(sheet resistance)을 측정하고 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장비의 모니터링 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서 상기 반도체기판에 N형의 도펀트를 이온주입하는 단계는, 1×1013 ∼ 5 ×1015 원자/㎠ 의 도우즈로 진행할 수 있다.
상기 N형의 도펀트로 31P 또는 75As 이온을 사용할 수 있다.
상기 반도체기판을 P형의 도펀트로 도핑시키는 단계는, 상기 N형 도펀트로 도핑시키는 단계보다 낮은 에너지와 높은 도우즈로 이온주입할 수 있다. 바람직하게는, 상기 반도체기판을 P형의 도펀트로 도핑시키는 단계는, 10KeV의 에너지로 수행할 수 있다.
상기 반도체기판을 P형의 도펀트로 도핑시키는 단계는, 보론(11B) 또는 플루오르화보론(BF3) 이온을 1×1015 ∼ 5×1016원자/㎠의 도우즈로 수행할 수 있다.
상기 반도체기판을 열처리하는 단계는 급속열처리(RTP) 방법으로, 900 ∼ 1500℃의 온도에서 수행할 수 있다.
상기 반도체기판을 P형의 도펀트로 도핑시키는 단계 또는 N형의 도펀트로 도핑시키는 단계 중 적어도 어느 하나는, 2차 이온 현미경(SIMS) 프로파일 농도의 5 ∼ 95％의 에너지로 수행할 수 있다.
본 발명에 따르면, P형 웨이퍼에 이온주입기가 지원할 수 있는 수준의 낮은 에너지와 높은 도우즈로 N형의 도펀트의 백그라운드 이온주입(background implantation)을 수행한 후 플라즈마 도핑 방법으로 도핑하는 방법을 사용한다. 그 후 급속 열처리(RTP)를 이용해 도펀트들은 활성화시켜 반도체기판의 면저항(Rs)을 측정하면, 신뢰할 수 있는 선형적인(linear) 면저항의 분포 경향을 확보할 수 있다. 또한, 백그라운드 도핑 공정의 N형 도펀트의 도우즈를 조절할 경우 더 높은 도우즈 구간의 분포 경향도 확보할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.
플라즈마 도핑 장비의 작동을 모니터링하기 위해서는 반도체기판을 도펀트로 도핑시킨 다음 도핑된 영역의 면저항(Rs)을 측정하게 된다. 본 발명은 종래의 모니터링 방법의 문제점을 개선하기 위하여, P형 웨이퍼에 이온주입기가 지원할 수 있는 수준의 낮은 에너지와 높은 도우즈로, N형의 도펀트의 백그라운드 이온주입(background implantation)을 수행한 후 플라즈마 도핑 방법으로 도핑하는 방법을 사용한다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 도핑 장비의 모니터링 방법을 설명하기 위한 도면들로서, 도 1은 백그라운드 도핑 및 플라즈마 도핑 공정이 이루어진 반도체기판의 단면도이고, 도 2는 플라즈마 도핑 장비를 모니터링하기 위한 도핑과정을 나타낸 흐름도이다.
도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 먼저, P형으로 도핑된 반도체기판(100)에 N형 도펀트의 백그라운드 도핑(background doping)을 수행한다. 이를 위하여, 상기 P형 반도체기판에 N형의 도펀트를 이온주입(ion implantation) 방법으로 주입한다(단계 210). N형의 도펀트로는 예컨대 포스포러스(31P) 또는 아세닉(75As)을 사용할 수 있으며, 이때 20 ∼ 50KeV 정도의 에너지로 수행한다. 그리고, 이온주입하는 도펀트의 도우즈는 후속되는 플라즈마 도핑 단계의 도우즈와 약 500배 이상, 바람직하게는 500배 내지 1,000배 정도의 차이가 나도록 도우즈를 설정한다. 본 발명의 실시예에서는, 포스포러스(31P) 이온을 1×1013원자/㎠ ∼ 5 ×1015 원자/㎠ 정도의 도우즈로 수행하였다.
N형의 도펀트를 이용하여 백그라운드 도핑을 수행한 다음에는, 상기 반도체기판를 플라즈마 도핑 방법으로 P형의 도펀트로 도핑시킨다(단계 220). 상기 P형의 도펀트로는 예컨대 보론(11B)을 사용할 수 있으며, 이 외에도 플루오르화보론(BF2)과 같은 잘 알려진 P형 도펀트를 사용할 수 있다. 그리고, 상기 플라즈마 도핑 공정은 1 ∼ 10KeV 정도의 비교적 낮은 에너지에서 수행하며, 도우즈는 상기 P형 도펀트의 이온주입 공정의 도우즈와 500배 내지 1,000배 정도 차이가 나도록 설정한다. 본 발명의 일 실시예에서는, 보론(11B) 이온을 1×1015원자 ∼ 5×1016원자/㎠ 정도의 도우즈로 수행하였다.
N형 및 P형의 도펀트를 모두 도핑시킨 다음에는, 도펀트들을 활성화시키기 위하여 급속열처리(RTP) 방법을 사용하여 900℃ 이상의 온도에서 반도체기판에 대해 열처리를 실시한다(단계 230). 열처리 공정을 거치면서 도펀트들이 활성화 및 확산되어 P형 반도체기판(100)의 상부에 N형 도핑영역(110) 및 P형 도핑영역(120)이 만들어진다.
도펀트들을 활성화시킨 다음에는, 반도체기판의 도핑영역(110, 120)의 면저항(Rs)을 측정하고 그 측정된 값들을 분석한다(단계 240).
도 3은 종래의 플라즈마 도핑 장비 모니터링 방법에서의 반도체기판의 깊이에 따른 도펀트의 농도를 나타낸 SIMS 프로파일(profile)로서, P형의 반도체기판에 N형 도펀트를 이용하여 백그라운드 도핑을 실시한 다음 P형 도펀트를 플라즈마 도핑 방법으로 도핑시켜 PN 접합을 형성한 경우를 나타낸다.
도면에서 수평축은 반도체기판의 표면으로부터의 도펀트가 이온주입된 깊이를 나타내고, 수직축은 도펀트의 농도를 나타낸다. 또한, 도면에서 "310" 영역은 백그라운드 도핑된 N형 도펀트의 프로파일을, "320" 영역은 플라즈마 도핑된 P형 도펀트의 프로파일을 각각 나타낸다.
종래에는 1MeV 이상의 높은 에너지와 1×1013원자/㎠의 도우즈로 백그라운드 도핑을 수행하였다. 그러한 이유로 PN 접합의 경계부를 정확히 확인할 수 없었으며, 면저항(Rs)의 경향(trend)에 대한 신뢰성 또한 낮았다.
도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 도핑 장비의 모니터링 방법에서의 도핑 깊이에 따른 도펀트의 농도를 나타낸 SIMS 프로파일이다.
도면 내의 수직선은 PN 접합이 형성된 영역을 나타내고, "410"은 백그라운드 도핑된 N형 도펀트의 프로파일을, "420"은 플라즈마 도핑된 P형 도펀트의 프로파일을 각각 나타낸다. 종래의 방법과 플라즈마 도핑 조건은 동일하게 하고, N형 도펀트의 백그라운드 도핑 단계에서 20KeV, 5×1015원자/㎠의 도우즈로 이온주입을 수행한 후 고온 RTP 공정을 수행하였다. 도 3에 도시된 종래의 방법과 비교할 때, 플라즈마 도핑농도가 높은 쪽은 N형 도펀트에 의해 카운트 도핑되었고 깊이가 깊어질수록 N형 도펀트의 농도가 높아짐을 알 수 있다. 따라서, 불균일한(non-uniform) 도핑 프로파일을 이용한 PN 접합이 형성됨을 알 수 있다.
도 5는 N형 도펀트(31P)를 사용하여 20KeV의 에너지와 5×1015원자/㎠의 도 우즈로 백그라운드 도핑을 수행한 후, 도우즈를 1×1015 ∼ 5×1016원자/㎠로 변화시켜가며 플라즈마 도핑을 수행했을 경우의 도우즈에 따른 면저항 분포를 나타낸 그래프이다. 도면 참조 번호 "510"은 도우즈에 따른 면저항을 나타내고, "520"은 도우즈에 따른 면저항 균일도를 나타낸다.
플라즈마 도핑의 도우즈를 증가시킬수록 면저항(Rs)과 면저항의 균일도가 증가하는 경향을 나타냄을 알 수 있다. 이는, 백그라운 도핑된 N형 도펀트에 의해 반도체기판의 표면부가 카운트 도핑되면서 생긴 영향이라 할 수 있다.
도 6은 N형 도펀트의 백그라운드 도핑의 이온주입 에너지를 41KeV로 변경했을 경우의 플라즈마 도핑의 도우즈에 따른 면저항 분포를 나타낸 그래프이다. 이때, N형 도펀트의 백그라운드 도핑에 뒤따르는 플라즈마 도핑은 7KeV의 에너지와 6×1015원자/㎠의 도우즈로 플루오르화보론(BF3) 이온을 사용하여 수행하였다.
도시된 바와 같이, 백그라운드 도핑 공정의 에너지를 20KeV에서 41KeV로 변경할 경우, 면저항(610)과 면저항 균일도(620) 모두 감소함을 알 수 있다. 이는 PN 접합을 어떻게 구성하는가에 따라 면저항 및 면저항 균일도가 변화함을 나타낸다. 또한, 백그라운드 도핑 공정의 도펀트를 포스포러스(31P)에서 아세닉(75As)으로 변경할 경우에도 면저항 및 변저항 균일도가 변경됨을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 플라즈마 도핑 단계의 도우즈를 1×1015 ∼ 5×1016원자/㎠ 구간까지 선형적인(linear) 면저항의 분포 경향을 확보할 수 있다. 또 한, 백그라운드 도핑 공정의 N형 도펀트의 도우즈를 조절할 경우 더 높은 도우즈 구간의 분포 경향도 확보할 수 있다. 면저항 분포가 플라즈마 도핑 공정의 도우즈 증가에 의해 선형적으로 증가한다는 것은, 백그라운드 도핑된 N형 도펀트의 영향을 받는다고 할 수 있다. 일반적으로 이온주입된 도펀트의 농도는 백그라운드 도핑 농도의 1,000배 이상을 상회한다. 그러나, 실제로 이온주입 방식으로 도핑을 수행하면 PN 접합층을 형성하기 힘들기 때문에 도 4와 같이 최대한 선형적으로 만든 후 이온주입 농도를 구간별로 나누어 시뮬레이션해야 한다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능함은 당연하다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 도핑 장비의 모니터링 방법을 설명하기 위하여 백그라운드 도핑 및 플라즈마 도핑 공정이 이루어진 반도체기판의 단면을 도시한 도면이다.
도 2는 플라즈마 도핑 장비를 모니터링하기 위한 본 발명의 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 종래의 플라즈마 도핑 장비 모니터링 방법에서의 반도체기판의 깊이에 따른 도펀트의 농도를 나타낸 SIMS 프로파일(profile)이다.
도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 도핑 장비의 모니터링 방법에서의 도핑 깊이에 따른 도펀트의 농도를 나타낸 SIMS 프로파일이다.
도 5는 N형 도펀트를 사용하여 백그라운드 도핑을 수행한 후, 도우즈를 변화시켜가며 플라즈마 도핑을 수행했을 경우의 도우즈에 따른 면저항 분포를 나타낸 그래프이다.
도 6은 N형 도펀트를 사용한 백그라운드 도핑의 이온주입 에너지를 변경했을 경우의 플라즈마 도핑의 도우즈에 따른 면저항 분포를 나타낸 그래프이다.

Claims (10)

  1. P형의 반도체기판에 N형의 도펀트를 20 ∼ 50KeV의 에너지로 이온주입하여 반도체기판의 소정 영역을 백그라운드 도핑시키는 단계;
    백그라운드 도핑된 상기 반도체기판에 플라즈마 도핑 장비를 사용하여 P형의 도펀트를, 상기 N형 도펀트로 백그라운드 도핑시키는 단계보다 500배 내지 1,000배 높은 도우즈로 도핑시키는 단계;
    상기 반도체기판을 열처리하여 상기 도펀트들을 활성화시키는 단계; 및
    도핑된 상기 반도체기판의 면저항(sheet resistance)을 측정하고 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장비의 모니터링 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반도체기판에 N형의 도펀트를 이온주입하는 단계는,
    1×1013 ∼ 5 ×1015 원자/㎠ 의 도우즈로 진행하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장비의 모니터링 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 N형의 도펀트로 31P 또는 75As 이온을 사용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장비의 모니터링 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반도체기판을 P형의 도펀트로 도핑시키는 단계는,
    상기 N형의 도펀트로 도핑시키는 단계보다 낮은 에너지로 수행하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장비의 모니터링 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 반도체기판을 P형의 도펀트로 도핑시키는 단계는,
    1 ∼ 10KeV의 에너지로 수행하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장비의 모니터링 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반도체기판을 P형의 도펀트로 도핑시키는 단계에서,
    보론(11B) 또는 플루오르화보론(BF3) 이온을 1×1015 ∼ 5×1016원자/㎠의 도우즈로 수행하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장비의 모니터링 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반도체기판을 열처리하는 단계는 급속열처리(RTP) 방법으로 수행하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장비의 모니터링 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 급속열처리(RTP) 공정은 900 ∼ 1500℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장비의 모니터링 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 반도체기판을 P형의 도펀트로 도핑시키는 단계 또는 N형의 도펀트로 도핑시키는 단계 중 적어도 어느 하나는,
    2차 이온 현미경(SIMS) 프로파일 농도의 5 ∼ 95％의 에너지로 수행하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장비의 모니터링 방법.
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