KR101081350B1 - 플라즈마 도핑장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 플라즈마 도핑장치는, 챔버의 내부에 설치되어 기판이 안착되는 기판전극과, 기판전극에 고전압펄스를 공급하는 고전압공급부와, 기판전극의 둘레에 배치되는 사이드전극과, 고전압공급부와 연결되어 기판전극에 인가되는 고전압펄스와 동기된 고전압펄스를 사이드전극으로 인가하는 펄스인가장치를 포함하여 구성됨으로써, 챔버 내에 형성되는 플라즈마의 확산 및 이온들의 거동을 조절하여 플라즈마 도핑공정을 개선할 수 있는 효과가 있다.
플라즈마, 도핑, 기판, 이온, 주입

Description

플라즈마 도핑장치 {APPARATUS FOR PLASMA DOPING}
본 발명은 반도체 기판 내로 이온을 주입하기 위한 플라즈마 도핑장치에 관한 것이다.
반도체 제품을 제조하는 공정에서 반도체 기판에 불순물을 도입하는 공정은 재료의 전기전도도에 영향을 주어 전기적인 특성을 변화시키기 위한 공정으로 반도체 제품의 제조공정에서의 중요한 공정 중 하나이다. 플라즈마 도핑장치는 불순물을 이온의 상태로 만든 후에 이를 가속시켜 기판에 물리적으로 주입하기 위한 장치이다.
플라즈마 도핑장치에서, 기판이 음극으로 작용하는 기판전극에 탑재되면, 요구되는 도펀트(dopant)물질을 포함하는 이온화 가능한 가스가 챔버의 내부로 유입되고, 고전압 펄스가 기판전극과 양극 또는 챔버 벽 사이에 인가되면 기판 부근에 플라즈마가 형성되며, 적용된 전압에 의하여 플라즈마 내의 이온이 기판 내로 주입된다.
이와 같은 도핑공정에서 가장 중요한 공정인자 중의 하나는 챔버의 내부에 형성되는 플라즈마의 균일도이다. 즉, 플라즈마의 형성상태 및 밀도는 기판에 주입 되는 이온량 및 주입시간을 결정하는 중요한 인자가 된다. 종래의 경우에는 이와 같은 플라즈마의 균일도를 향상시키기 위하여 챔버의 내부로 안테나의 형상을 변경하는 등의 방법이 적용되고 있으나, 이와 같은 구성은 플라즈마의 균일도를 향상시키는 데에 한계가 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 기판의 둘레에 사이드전극을 설치하고, 기판전극과 사이드전극으로 인가되는 바이어스 전압을 동기화시킴으로써, 플라즈마의 확산 및 이온의 거동을 조절하여 도핑공정을 개선할 수 있는 플라즈마 도핑장치를 제공하는 데에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 도핑장치는, 챔버의 내부에 설치되어 기판이 안착되는 기판전극과, 기판전극에 고전압펄스를 공급하는 고전압공급부와, 챔버의 내부에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마발생부와, 기판의 둘레에 배치되는 사이드전극과, 고전압공급부와 연결되어 기판전극에 인가되는 고전압펄스와 동기된 고전압펄스를 사이드전극으로 인가하는 펄스인가장치를 포함하여 구성될 수 있다.
여기에서, 펄스인가장치는 기판전극으로 인가되는 고전압펄스와 동일한 펄스를 가지는 고전압펄스를 사이드전극으로 인가시킬 수 있다.
또한, 펄스인가장치는, 기판전극으로 인가되는 고전압의 극성이 음인 경우에는 사이드전극으로 고전압을 인가하지 않고, 기판전극으로 인가되는 고전압의 크기가 영인 경우에는 양의 극성을 가지는 고전압을 사이드전극으로 인가시킬 수 있다.
또한, 펄스인가장치는, 기판전극으로 인가되는 고전압의 극성이 음인 경우에는 음의 극성을 갖는 고전압을 사이드전극으로 인가하고, 기판전극으로 인가되는 고전압의 크기가 영인 경우에는 양의 극성을 가지는 고전압을 사이드전극으로 인가시킬 수 있다.
여기에서, 기판전극으로 인가되는 고전압의 크기가 영인 경우에 펄스인가장치로부터 사이드전극으로 인가되는 양의 극성을 가지는 고전압의 크기의 절대값은 기판전극으로 인가되는 음의 바이어스를 가지는 고전압의 크기의 절대값에 비하여 작게 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 플라즈마 도핑장치는 기판의 둘레에 사이드전극을 설치하고, 기판전극과 사이드전극으로 인가되는 바이어스 전압을 동기화시킴으로써, 플라즈마의 확산 및 이온의 거동을 조절하여 도핑공정을 개선할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 플라즈마 도핑장치의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 도핑장치는, 내부가 진공상태로 형성될 수 있는 챔버(100)와, 챔버(100)의 내부에 배치되어 기판(S)이 안착되는 기판전극(200)과, 기판전극(200)에 고전압펄스를 공급하기 위한 고전압공급부(300)와, 챔버(100)의 일측에 배치되어 챔버(100)의 내부로 도펀트(dopant) 물질을 포함하는 이온화 가능한 가스를 공급하는 가스공급부(500)와, 챔버(100)의 내부공간에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마발생부(600)와, 기판(200)의 둘레에 배치되는 사이드전극(410)과, 고전압공급부(300)와 연결되어 기판전극(200)에 인가된 고 전압펄스와 동기된 고전압펄스를 사이드전극(410)으로 인가하는 펄스인가장치(420)를 포함하여 구성될 수 있다. 한편, 기판전극(200)에 설치되어 기판(S)를 척킹하기 위한 정전척이 구비될 수 있다.
기판전극(200)은 도전층과 절연층으로 이루어질 수 있으며, 도전층으로는 전기전도성 플레이트가 될 수 있고, 절연층으로는 세라믹 플레이트가 될 수 있다. 기판전극(200)에는 고전압공급부(300)로부터 영의 값(Vo)과 음의 값(-V)이 일정한 진폭을 가지면서 왕복하는 고전압펄스가 인가된다. 기판전극(200)은 기판의 너비보다 크게 제작하여 기판의 균일한 도핑을 도모하는 것이 바람직하다.
고전압공급부(300)는 고압전원(310)과, 기판전극(200)과 고압전원(310) 사이에 배치되고 기판전극(200)에 음의 극성을 가지는 고전압펄스를 인가하도록 고압전원(310)으로부터 공급된 전압을 고전압펄스로 변환하는 펄서(320)를 포함하여 구성될 수 있다. 이에 따라, 기판전극(200)으로 공급되는 전압의 파형은 이론상 도 2에 도시된 바와 같이, 음의 극성을 가지는 전압이 반복적인 파형의 형상을 가진다.
플라즈마발생부(600)는, 챔버(100)의 내부의 기판전극(200)에 대향하는 쪽에 설치되는 윈도우(610)와, 윈도우(610)에 인접되도록 설치되는 안테나(620)와, 안테나(620)에 고주파전력을 인가하기 위한 고주파전원(630)을 포함하여 구성될 수 있다.
여기에서, 윈도우(610)는 유전체로 이루어질 수 있으며, 챔버(100)의 내부공간의 상측벽으로서의 역할을 할 수 있다. 윈도우(610)는 안테나(620)의 주변에서 발생되는 전기장 및 자기장을 기판(S) 쪽으로 이동시켜 플라즈마의 고밀도화를 촉 진시키는 역할을 수행한다.
안테나(620)는 윈도우(610)에 펄스 RF전력을 인가하는 역할을 한다. 그리고, 고주파전원(630)은 펄스 RF전력을 안테나(620)로 공급하는 역할을 수행한다. 이에 따라, 안테나(620)에 고주파전원(630)으로부터 고주파전력이 인가되면, 챔버(100)의 내부공간에는 유도결합형 플라즈마가 발생되어 기판전극(200)상의 기판(S)에 플라즈마 도핑처리가 수행될 수 있다. 한편, 안테나(620)와 고주파전원(630)의 사이에는, 안테나(620)와 고주파전원(630)을 매칭시켜주는 매칭부(640)가 마련되는 것이 바람직하다.
사이드전극(410)은 기판전극(200)의 둘레에 설치되는데, 복수의 사이드전극(410)이 기판전극(200)의 둘레방향으로 소정의 간격으로 설치될 수 있다.
펄스인가장치(420)는 고전압공급부(300)의 고압전원(310)과 연결되어 고압전원(310)으로부터 공급된 전압을 기판전극(200)으로 인가되는 고전압펄스와 동기된 고전압펄스로 변환하여 사이드전극(410)으로 인가하는 역할을 수행한다.
펄스인가장치(420)를 통하여 사이드전극(410)에 인가하는 동기된 고전압펄스의 파형의 형태는, 도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 3개로 나뉠 수 있는데, 이를 정리하면 다음과 같다.
(a) 기판전극(200)으로 인가되는 고전압펄스와 동일한 고전압펄스 (도 3참조)
(b) 기판전극(200)으로 인가되는 고전압의 극성이 음(-V)인 경우에는 크기가 영(Vo)이며, 기판전극(200)으로 인가되는 고전압의 크기가 영(Vo)인 경우에는 양(+V)의 극성을 가지는 고전압펄스 (도 4참조)
(c) 기판전극(200)으로 인가되는 고전압의 극성이 음(-V)인 경우에는 음(-V)의 극성을 가지며, 기판전극(200)으로 인가되는 고전압의 크기가 영(Vo)인 경우에는 양(+V)의 극성을 가지는 고전압펄스 (도 5참조)
먼저, (a)와 같은 경우에는, 기판전극(200)과 사이드전극(410)에 인가되는 고전압펄스의 파형이 동일하므로, 기판전극(200)에 음의 극성의 전압이 걸리는 경우에는 사이드전극(410)에도 음의 극성의 전압이 걸리게 되고, 기판전극(200)에 영의 전압이 걸리는 경우에는 사이드전극(410)에도 영의 전압이 걸리게 된다. 따라서, 기판전극(200)에 음의 극성의 전압이 걸려 플라즈마내의 양이온이 기판(S)으로 입사되는 경우, 사이드전극(410)에도 음의 극성의 전압이 걸려 플라즈마내의 양이온이 사이드전극(410)으로 이동된다. 이와 같이, 플라즈마내의 양이온은 기판전극(200) 상의 기판(S)을 향하여 이동할 뿐만 아니라 사이드전극(410)을 향하여 이동하므로, 플라즈마내의 양이온이 챔버(100)의 내부에서 고르게 확산될 수 있다. 특히, (a)와 같은 기판전극(200)으로 인가되는 고전압펄스와 사이드전극(410)으로 인가되는 고전압펄스를 동기화시키는 동작은, 특히, 플라즈마내의 양이온의 밀도가 높아 과도한 양의 양이온이 기판(S)으로 이동하여 기판(S)으로 주입되지 않고 기판(S)의 표면에 잔류하는 현상을 방지하고, 챔버(100)의 내부에서 플라즈마내의 양이온의 균일도를 향상시키기 위하여 적용될 수 있다.
다음으로, (b)와 같은 경우에는, 기판전극(200)에 음의 극성의 전압이 걸리는 경우에는 사이드전극(410)에 영의 전압이 걸리게 되고, 기판전극(200)에 영의 전압이 걸리는 경우에는 사이드전극(410)에는 양의 극성의 전압이 걸리게 된다. 기판전극(200)에 음의 극성의 전압이 걸리고 사이드전극(410)에 영의 전압이 걸리는 경우에는 일반적인 도핑공정과 같이 기판(S)의 내부로 양이온이 주입된다. 그리고, 기판전극(200)에 영의 전압이 걸리고 사이드전극(410)에 양의 극성의 전압이 걸리는 경우에는, 플라즈마내의 음이온이나 전자가 사이드전극(410)을 향하여 이동한다. 따라서, 기판전극(200)에 영의 전압이 걸리는 경우 플라즈마내의 음이온이나 전자가 기판(S)의 표면에 증착될 수 있으나, 이와 같이, 사이드전극(410)에 양의 극성의 전압을 걸어줌으로써, 플라즈마내의 음이온이나 전자가 기판(S)의 표면에 증착되는 것을 방지할 수 있다. 또한, (a)와 같은 과정에서, 플라즈마내의 양이온이 사이드전극(410)으로 이동하여 사이드전극(410)의 표면에 잔류할 수 있으나, 이는 (b)의 과정을 통하여 사이드전극(410)으로 음이온이나 전자를 유도하여 사이드전극(410)의 표면에 존재하는 양이온과 중성화시킴으로써, 사이드전극(410)의 표면에 과도한 양의 양이온이 존재하는 것을 방지할 수 있다. 이와 같이, (b)와 같은 과정을 통하여, 기판(S)에 음이온이나 전자가 증착되는 것을 방지할 수 있으며, 사이드전극(410)의 표면에 과도한 양의 양이온이 존재하는 것을 방지할 수 있다.
여기에서, 기판전극(200)으로 인가되는 고전압의 크기가 영인 경우에 사이드전극(410)으로 인가되는 양의 극성을 가지는 고전압의 크기의 절대값은 기판전극(200)으로 인가되는 음의 극성을 가지는 고전압의 크기의 절대값에 비하여 작게 하는 것이 바람직하다.
다음으로, (c)의 동기화 동작은 (a)와 (b)의 동기화 동작을 조합한 형태이 다. 즉, (c)와 같은 경우에는, 기판전극(200)에 음의 극성의 전압이 걸리는 경우에는 사이드전극(410)에 음의 극성의 전압이 걸리게 되고, 기판전극(200)에 영의 전압이 걸리는 경우에는 사이드전극(410)에 양의 극성의 전압이 걸리게 된다. 기판전극(200)에 음의 극성의 전압이 걸리고 사이드전극(410)에 음의 극성의 전압이 걸리는 경우에는, 전술한 바와 같이, 플라즈마내의 양이온이 기판(S) 및 사이드전극(410)으로 이동되므로, 플라즈마의 균일도가 향상되며, 과도한 양의 양이온이 기판(S)으로 이동하여 기판(S)으로 주입되지 않고 기판(S)의 표면에 잔류하는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 기판전극(200)에 영의 전압이 걸리고 사이드전극(410)에 양의 극성의 전압이 걸리는 경우에는, 전술한 바와 같이, 기판전극(200)에 영의 전압이 걸리는 경우 기판(S)에 음이온이나 전자가 증착되는 것을 방지할 수 있으며, 사이드전극(410)에 양의 전압을 걸어 플라즈마내의 음이온이나 전자를 사이드전극(410)으로 유도하여 사이드전극(410)의 표면에 존재하는 양이온과 중성화시킴으로써, 사이드전극(410)의 표면에 과도한 양의 양이온이 존재하는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 도핑장치는, 기판전극(200)의 둘레에 사이드전극(410)을 설치하고, 기판전극(200)과 사이드전극(410)으로 인가되는 바이어스 전압을 동기화시킴으로써, 플라즈마의 균일도를 향상시킬 수 있으며, 양이온, 음이온 또는 전자의 거동을 조절하여 도핑공정을 개선할 수 있는 효과가 있다.
이하, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 플라즈마 도핑장치의 동작에 대하여 설명한다.
먼저, 챔버(100)의 내부로 기판(S)이 유입되어 기판(S)이 기판전극(200)상에 안착되면, 챔버(100)의 내부공간이 진공의 상태로 유지되는 것과 함께 가스공급부(500)로부터 도펀트물질을 포함하는 이온화 가능한 가스가 챔버(100)의 내부공간으로 유입된다.
그리고, 플라즈마발생부(600)의 고주파전원(630)으로부터 안테나(620)로 플라즈마 생성용 고주파전력이 인가되면, 안테나(620)에 의해 유도자기장이 형성된다. 이러한 유도자기장은 챔버(100)의 내부공간에 전기장을 형성시키게 되며, 이러한 유도전기장은 공급된 가스를 이온화시켜 플라즈마를 생성시킨다. 이때, 윈도우(610)는 안테나(620)의 주변에서 발생되는 전기장 및 자기장을 기판(S) 쪽으로 이동시켜 플라즈마의 고밀도화 및 균일화를 촉진시킨다.
그리고, 고전압공급부(300)의 고압전원(310)으로부터 기판전극(200)으로 음의 펄스를 갖는 고주파전압이 인가된다. 따라서, 플라즈마로부터 이온빔이 기판(S)을 향하여 방출되며, 이와 같은 과정을 통하여 기판(S)의 내부로 이온이 주입된다.
이와 같은 과정 중에, 기판전극(200)으로는 도 2에 도시된 바와 같은 파형을 가지는 고전압펄스가 인가되며, 사이드전극(410)으로는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같은 파형을 가지며 기판전극(200)으로 인가되는 고전압펄스와 동기된 고전압펄스가 인가될 수 있다. 이에 대한 플라즈마내의 양이온, 음이온 또는 전자의 거동은 상술한 바와 같다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 플라즈마 도핑장치는, 기판(S)이 안착되는 기판전극(200)의 둘레에 사이드전극(410)을 설치하고, 기판전극(200)으로 인가되는 고주파펄스와 동기된 고주파펄스를 사이드전극(410)으로 인가함으로써, 플라즈마의 균일도를 향상시킬 수 있으며, 양이온, 음이온 또는 전자의 거동을 조절하여 도핑공정을 개선할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에서 설명한 기술적 사상들은 각각 독립적으로 실시될 수 있으며, 서로 조합되어 실시될 수 있다. 또한, 본 발명은 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 실시예를 통하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 도핑장치가 도시된 개략도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 도핑장치의 기판전극에 공급되는 고전압전력의 펄스의 파형이 도시된 그래프이다.
도 3 내지 도 5는 도 1의 플라즈마 도핑장치의 사이드전극에 공급되는 고전압전력의 펄스의 파형이 도시된 그래프이다.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***
100: 챔버 200: 기판전극
300: 고전압공급부 310: 고압전원
320: 펄서 420: 펄스인가장치
600: 플라즈마발생부 610: 윈도우
620: 안테나 630: 고주파전원

Claims (5)

  1. 챔버의 내부에 설치되어 기판이 안착되는 기판전극;
    상기 기판전극에 고전압펄스를 공급하는 고전압공급부;
    상기 챔버의 내부에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마발생부;
    상기 기판전극의 둘레에 배치되는 사이드전극; 및
    상기 고전압공급부와 연결되어 상기 기판전극에 인가되는 고전압펄스와 동기된 고전압펄스를 상기 사이드전극으로 인가하는 펄스인가장치를 포함하고,
    상기 펄스인가장치는, 상기 기판전극으로 음의 극성의 고전압이 인가되는 경우에는 상기 사이드전극으로 고전압을 인가하지 않고, 상기 기판전극으로 인가되는 고전압의 크기가 영인 경우에는 양의 극성을 가지는 고전압을 상기 사이드전극으로 인가하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 챔버의 내부에 설치되어 기판이 안착되는 기판전극;
    상기 기판전극에 고전압펄스를 공급하는 고전압공급부;
    상기 챔버의 내부에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마발생부;
    상기 기판전극의 둘레에 배치되는 사이드전극; 및
    상기 고전압공급부와 연결되어 상기 기판전극에 인가되는 고전압펄스와 동기된 고전압펄스를 상기 사이드전극으로 인가하는 펄스인가장치를 포함하고,
    상기 펄스인가장치는, 상기 기판전극으로 음의 극성의 고전압이 인가되는 경우에는 음의 극성을 갖는 고전압을 상기 사이드전극으로 인가하고, 상기 기판전극으로 인가되는 고전압의 크기가 영인 경우에는 양의 극성을 가지는 고전압을 상기 사이드전극으로 인가하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑장치.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 기판전극으로 인가되는 고전압의 크기가 영인 경우에 상기 펄스인가장치로부터 상기 사이드전극으로 인가되는 양의 극성을 가지는 고전압의 크기의 절대값은 상기 기판전극으로 인가되는 음의 극성을 가지는 고전압의 크기의 절대값에 비하여 작은 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR200369552Y1 (ko) * 2004-09-21 2004-12-08 한국전기연구원 플라즈마 이온 주입 및 증착용 플라즈마 처리 장치
KR100662678B1 (ko) * 1999-10-27 2007-01-02 베리안 세미콘덕터 이큅먼트 어소시에이츠, 인크. 할로우 캐소드를 포함하는 플라즈마 도핑 시스템

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