KR101090918B1 - 이온 주입 장치 및 이온 주입 방법 - Google Patents

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고쿠리츠 다이가쿠 호진 도호쿠 다이가쿠
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Abstract

피처리 기판에 양전하의 이온 주입 시에 피처리 기판에 차지업 데미지가 발생하는 경우가 있다. 양전하의 이온 주입 시에 피처리 기판으로부터 2차 전자가 방출되어 차지업되는 것을 경감하기 위하여, 피처리 기판과 대향하는 위치에 도체 부재를 설치하고, 해당 도체 부재를 전기적으로 고주파적으로 접지한다. 또한, 피처리 기판에 부여된 RF 전력을 펄스 형상으로 제어함으로써, 피처리 기판에 발생되는 전계 강도를 저감시켜도 좋다.

Description

이온 주입 장치 및 이온 주입 방법{ION IMPLANTING APPARATUS AND ION IMPLANTING METHOD}
본 발명은 이온 주입 장치 및 이온 주입 방법에 관한 것이다.
종래 반도체 장치 등의 제조에 있어서, 반도체 기판 또는 반도체층 등에 불순물을 첨가하는 방법으로서 이온 주입 기술이 널리 사용되고 있다. 종래의 이온 주입 기술에서는 원하는 원자 분자를 원하는 농도로 반도체 기판 또는 반도체층 등의 피처리체에 주입하기 위하여, 양으로 대전(帶電)된 이온 빔을 피처리체의 원하는 부분에 조사했다. 이 때문에, 양으로 대전된 이온이 피처리체에 조사되고, 또한 이 피처리체로부터 2차 전자가 방출되기 때문에, 피처리체에 대량 차지업(Charge Up)이 발생하여 차지업 데미지가 발생했다. 예를 들어, 게이트 절연막 상의 폴리실리콘 게이트 전극층에 불순물을 도핑하기 위하여 이 폴리실리콘층에 이온 조사를 행하면, 이 폴리실리콘층으로부터 대량의 2차 전자가 방출되어 폴리실리콘층 표면에 양전하가 축적되고, 이것에 주입된 이온의 양전하가 가해져 게이트 절연막 상에는 대량의 음전하가 퇴적된다. 한편, n웰에 p형 소스 드레인 영역 형성을 위하여 이온 주입을 행하면, 동일한 이유로 n웰 표면에 대량의 양전하가 퇴적되어 게이트 절연막의 파괴를 초래한다. 따라서, p채널 MOS 트랜지스터에 불량이 빈발하고 있었 다.
한편, 특허 문헌 1 등에서는 복수의 배기 포트를 구비한 처리실, 해당 처리실 내에 배치되어 피처리체를 유지하는 유지대, 복수의 가스 방출 홀을 구비하고 피처리체에 대향하는 위치에 설치된 샤워 플레이트 및 마이크로파 안테나를 가지는 이온 주입 장치가 제안되어 있다.
특허 문헌 1 : 일본특허공개공보 2005－196994호
발명이 해결하고자 하는 과제
특허 문헌 1은 피처리체에 생기는 차지업 데미지, 특히 p채널 MOS 트랜지스터 불량 문제에 대해 지적하지 않았다.
그래서, 본 발명의 기술적 과제는 차지업 데미지가 발생하지 않는 원자 분자 주입 기술을 제공하는 것으로, 본 발명은 차지업 데미지가 쉽게 발생하지 않는 이온 주입 장치 및 이온 주입 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명의 제 1 태양에 따르면, 감압 가능한 처리실과, 상기 처리실 내에 플라즈마를 여기하는 수단과, 상기 처리실 내에 설치되어 피처리 기판을 유지하는 유지대와, 상기 처리실 내에서 상기 유지대에 대향하는 위치에 설치되고, 상기 플라즈마를 상기 유지대의 방향으로 투과 가능한 부분을 가지는 도체 부재와, 상기 유지대에 유지되는 상기 피처리 기판에 기판 바이어스용 RF 전력을 인가하는 수단을 포함하고, 상기 도체 부재는 상기 RF 전력의 주파수에 대해 전기적으로 접지되어 있는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 2 태양에 따르면, 제 1 태양에 있어서, 상기 플라즈마를 여기하는 수단은 상기 처리실 내에 플라즈마 여기용 전력을 공급되는 수단과 상기 처리실 내에 플라즈마 여기용 가스를 공급하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 3 태양에 따르면, 제 2 태양에 있어서, 상기 플라즈마 여기용 가스는 상기 피처리 기판에 주입되어야 할 이온원인 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 4 태양에 따르면, 제 2 또는 3 태양에 있어서, 상기 플라즈마 여기용 전력의 주파수는 마이크로파 영역인 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 5 태양에 따르면, 제 2 내지 4 태양 중 어느 하나에 있어서, 상기 처리실 내에 플라즈마 여기용 전력을 공급되는 수단은, 마이크로파원과 평판 형상 안테나와 상기 마이크로파원으로부터 상기 안테나로 마이크로파를 전달하는 수단을 포함하고, 상기 안테나는 상기 유지대에 대향하는 위치에 유전체 판을 개재하여 설치되고, 상기 안테나로부터 방사된 마이크로파가 상기 유전체 판을 투과하여 상기 처리실 내의 상기 플라즈마 여기용 가스를 조사하여 플라즈마를 발생시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 6 태양에 따르면, 제 2 내지 5 태양 중 어느 하나에 있어서, 상기 플라즈마 여기용 가스를 공급하는 수단은 가스 도입 포트와 상기 유전체 판 내를 통과하여 상기 플라즈마 여기용 가스를 상기 처리실 내로 방출하는 복수의 가스 통로를 포함하고, 상기 플라즈마 여기용 가스가 상기 유전체 판으로부터 상기 처리실 내로 방출되는 공간 또는 그 근방에서 상기 플라즈마가 발생하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 7 태양에 따르면, 제 2 내지 5 태양 중 어느 하나에 있어서, 상기 처리실 내에서 상기 도체 부재의 상기 유지대와는 반대측 공간에서의 상기 플라즈마의 전자 밀도는 상기 플라즈마 여기용 전력의 각(角)주파수를 ω, 진공의 유전율을 ε0, 전자 질량을 m, 기본 전하를 e라고 했을 때에 ω2mε0/e2로 규정되는 컷 오프 밀도보다 높은 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 8 태양에 따르면, 제 4 또는 6 태양에 있어서, 상기 플라즈마 여기용 가스는 불화물 가스를 포함하고, 상기 처리실 내의 압력을, 상기 도체 부재의 상기 유지대와는 반대측 처리실 공간에서의 상기 플라즈마의 전자 밀도가, 상기 마이크로파의 각주파수를 ω, 진공의 유전율을 ε0, 전자의 질량을 m, 기본 전하를 e라고 했을 때에, ω2mε0/e2로 규정되는 컷 오프 밀도보다 높은 밀도로 유지될만한 압력으로 한 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 9 태양에 따르면, 제 6 태양에 있어서, 상기 처리실 내에서, 상기 도체 부재의 상기 유지대와는 반대측 공간이며, 상기 플라즈마가 상기 유전체 판의 상기 도전 부재측에 플라즈마 시스(Sheath)를 개재하여 접해 있는 위치에서의 플라즈마의 전자 밀도가, 상기 안테나에 공급되는 마이크로파의 각주파수를 ω, 진공의 유전율을 ε0, 전자 질량을 m, 기본 전하를 e라고 했을 때에, 상기 전자 밀도가 ω2mε0/e2로 규정되는 컷 오프 밀도보다 높은 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 10 태양에 따르면, 제 6 또는 제 9 태양에 있어서, 하기 수학식 1
Figure 112009042850394-pct00001
(단, n은 상기 처리실 내에서 상기 플라즈마가 상기 유전체 판의 상기 도전 부재측에 플라즈마 시스를 개재하여 접해 있는 위치에서의 플라즈마의 전자 밀도, ε0은 진공의 유전율, m은 전자의 질량을, e는 기본 전하)로 규정되는 플라즈마 각(角)진동수를 ωpe로 하고, 상기 안테나에 공급되는 마이크로파의 각주파수를 ω로 했을 때에, 하기 수학식 2
Figure 112009042850394-pct00002
(단, c는 진공 중의 광속도)로 규정되는 마이크로파의 침입 깊이에 비해, 상 기 유전체 판과 상기 도전 부재 간의 거리가 긴 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 11 태양에 따르면, 제 6, 9 또는 10 태양에 있어서, 하기 수학식 3
Figure 112009042850394-pct00003
(단, n은 상기 처리실 내에서 상기 플라즈마가 상기 유전체 판의 상기 도전 부재측에 플라즈마 시스를 개재하여 접해 있는 위치에서의 플라즈마의 전자 밀도, ε0은 진공의 유전율, m은 전자의 질량을, e는 기본 전하)로 규정되는 플라즈마 각진동수를 ωpe로 하고, 상기 안테나에 공급되는 마이크로파의 각주파수를 ω로 했을 때에, 하기 수학식 4
Figure 112009042850394-pct00004
(단, c는 진공 중의 광속도)로 규정되는 마이크로파의 침입 깊이에 비해, 상기 유전체 판과 상기 도전 부재간의 거리가 3 배 이상 긴 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 12 태양에 따르면, 제 5 내지 11 태양 중 어느 하나에 있어서, 상기 안테나는 래디얼 라인 슬롯 안테나인 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 13 태양에 따르면, 제 1 내지 12 태양 중 어느 하나에 있어서, 상기 도전 부재는 직류적으로 전기적으로 접지되어 있는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 14 태양에 따르면, 제 1 ~ 제 13 태양 중 어느 하나에 있어서, 상기 처리실 내벽 중 적어도 상기 플라즈마가 접하는 부분과, 상기 도전 부재의 표면이 금속 산화물 및 금속 질화물 중 적어도 하나로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 15 태양에 따르면, 제 1 ~ 제 14 태양 중 어느 하나에 있어서, 상기 도전 부재는 그 내부에 온도 제어용 매체를 흐르게 하는 수단을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 16 태양에 따르면, 제 1 ~ 제 15 태양 중 어느 하나에 있어서, 상기 RF 전력의 주파수의 주기는 상기 피처리 기판 표면에 형성되는 플라즈마 시스로 상기 플라즈마로부터 유출되는 주입 원자 이온 또는 주입 분자 이온이 상기 피처리 기판에 도달하는 시간에 비해 긴 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 17 태양에 따르면, 제 6 및 제 9 내지 16 태양 중 어느 하나에 있어서, 상기 복수의 가스 통로의 가스 방출 부분에 다공질 세라믹 부재가 설치되고, 상기 다공질 세라믹 부재로부터 플라즈마 여기 가스를 처리실 내에 도입하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 18 태양에 따르면, 제 6 및 제 9 내지 17 태양 중 어느 하나에 있어서, 상기 복수의 가스 통로의 가스 방출 홀의 직경은 상기 유전체 판과 상기 플라즈마의 사이에 형성되는 시스 두께의 2 배 이하이며, 상기 가스 방출 홀로부터 플라즈마 여기 가스를 처리실 내에 도입하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 19 태양에 따르면, 제 1 ~ 제 18 태양 중 어느 하나에 있어서, 상기 유지대를 냉각하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 20 태양에 따르면, 제 1 ~ 제 19 태양 중 어느 하나에 있어서, 상기 유지대는 그 내부에 냉각용 매체를 흐르게 하는 수단을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 21 태양에 따르면, 제 1 ~ 제 20 태양 중 어느 하나에 있어서, 이온 주입 장치를 이용하여 이온 주입을 행하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 방법을 얻을 수 있다.
본 발명의 제 22 태양에 따르면, 제 21 태양에 있어서, 상기 RF 전력을 펄스로 인가함으로써, 복수 회에 나누어 이온 주입을 행하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 방법을 얻을 수 있다.
본 발명의 제 23 태양에 따르면, 제 22 태양에 있어서, 상기 펄스는 소정의 폭과 간격을 가지고, 상기 펄스 간격은 상기 플라즈마에 존재하는 단위 체적의 이 온 전하 총수에 대한 전자수의 비율의 역수와, 상기 피처리 기판의 2차 전자 방출 계수와, 상기 펄스 폭과의 곱보다 긴 시간인 것을 특징으로 하는 이온 주입 방법을 얻을 수 있다.
본 발명의 제 24 태양에 따르면, 제 21 ~ 제 23 태양 중 어느 하나에 있어서, 플라즈마 여기 가스는 주입해야 할 이온의 원자인 불화물의 가스 또는 주입해야 할 이온의 원자인 불화물의 가스를 희가스로 희석한 혼합 가스인 것을 특징으로 하는 이온 주입 방법을 얻을 수 있다.
본 발명의 제 25 태양에 따르면, 제 21 ~ 제 24 태양 중 어느 하나에 있어서, 플라즈마 여기 가스는 BF3, PF3 및 AsF3로부터 선택되는 가스 또는 BF3, PF3, 및 AsF3로부터 선택되는 가스를 Ar, Kr 및 Xe로부터 선택되는 적어도 일종의 희가스로 희석한 혼합 가스인 것을 특징으로 하는 이온 주입 방법을 얻을 수 있다.
본 발명의 제 26 태양에 따르면, 제 24 또는 제 25 태양에 있어서, 상기 피처리 기판은 실리콘을 포함하고, 상기 피처리 기판을 실리콘의 불화물이 상기 처리실의 압력에 있어서 휘발하는 온도보다 낮은 온도로 냉각하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 방법을 얻을 수 있다.
본 발명의 제 27 태양에 따르면, 제 1 ~ 제 20 태양 중 어느 하나에 있어서, 이온 주입 장치를 이용하여 제조한 반도체 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 28 태양에 따르면, 제 21 ~ 제 26 태양 중 어느 하나에 기재된 이온 주입 방법을 이용하여 제조한 반도체 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 29 태양에 따르면, 제 21 ~ 제 26 태양 중 어느 하나에 기재된 이온 주입 방법에 따라 이온 주입을 행하는 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법을 얻을 수 있다.
발명의 효과
본 발명에 따르면, 차지업 데미지가 쉽게 발생하지 않는 이온 주입 장치 및 이온 주입 방법을 얻을 수 있다. 특히 본 발명에서는 p 채널 MOS 트랜지스터 제조에 수반되는 불량을 대폭 저하시켜 수율을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이온 주입 장치를 도시한 개략 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 이온 주입 장치의 주요부를 도시한 평면도이다.
도 3은 플라즈마 밀도와 디바이 길이, 시스 두께와의 관계를 나타내는 표이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이온 주입 방법을 이용하여 형성된 반도체 장치를 도시한 개략 단면도이다.
도 5는 도 4의 반도체 장치를 형성하는 공정을 설명하기 위한 개략 단면도이다.
도 6은 도 4의 반도체 장치를 형성하는 공정을 설명하기 위한 개략 단면도이다.
도 7은 도 4의 반도체 장치를 형성하는 공정을 설명하기 위한 개략 단면도이 다.
도 8은 도 4의 반도체 장치를 형성하는 공정을 설명하기 위한 개략 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이온 주입 장치의 다른 주요부를 도시한 개략 단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 이온 주입 장치의 다른 주요부를 도시한 개략 단면도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 이온 주입 장치의 다른 주요부를 도시한 개략 단면도이다.
부호의 설명
101 : 배기 포트
102 : 처리실
103 : 피처리 기판
104 : 유지대
105 : 가스 방출 홀
106 : 샤워 플레이트
107 : 씰 링
108 : 커버 플레이트
109 : 씰 링
117 : 플라즈마 여기 가스 공급 포트
118 : 공급 홀
110 : 공간
111 : 슬롯판
112 : 지파판
113 : 동축 도파관
123 : 금속판
114 : 냉각용 유로
115 : 그라운드 플레이트
120 : 매체 유로
121 : 투과창
122 : RF 전원
124 : 다공질 세라믹층
125 : 링 형상 절연 부재
이하, 본 발명의 실시예에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
(실시예 1)
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예 1에 따른 마이크로파 플라즈마 이온 주입 장치가 도시되어 있다. 도시된 마이크로파 플라즈마 이온 주입 장치는 복수의 배기 포트(101)를 통하여 배기되는 처리실(102)을 가지며, 상기 처리실(102) 중에는 피처리 기판(103)을 유지하는 유지대(104)가 배치되어 있다. 처리실(102)은 Al 합금(Zr 및 Mg를 첨가한 Al)으로 이루어지는 벽 부재로 형성되어 있다. 벽의 내면 중 특히 플라즈마에 노출되는 부분은 플라즈마로부터 대량의 이온이 조사되어 손상되기 때문에, 강고한 보호막이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 비수용액(非水溶液)을 이용한 양극 산화(陽極酸化)에 의해 형성된 두께가 0.5 μm인 치밀한 무공질(無孔質)의 Al2O3 보호막으로 벽면을 피복했다. 보호막은 이에 한정되지 않고, 예를 들어 Y2O3의 용사막(溶射膜) 또는 졸겔 법에 의한 막이어도 좋고, Al2O3 보호막 상에 추가로 Y2O3막을 형성하는 구성이어도 좋다.
처리실(102)을 균일하게 배기하기 위하여, 처리실(102)은 유지대(104)의 주위에 링 형상의 공간을 규정하고 있고, 복수의 배기 포트(101)는 그 링 형상 공간에 연통되도록 등간격으로 피처리 기판(103)에 대해 축대칭(軸對稱)이 되도록 배열되어 있다. 이 배기 포트(101)의 배열에 의해, 처리실(102)의 가스를 배기 포트(101)로부터 균일하게 배기할 수 있다.
처리실(102)의 상부 개구 상에는 유지대(104)의 처리 기판(103)에 대향하도록 비유전율이 9.8이며, 또한 저마이크로파 유전 손실(유전 손실이 1 × 10-4 이하)인 유전체의 알루미나로 이루어지고, 다수(230 개)의 개구부, 즉 가스 방출 홀(105)을 가지는 판 형상의 샤워 플레이트(106)가 씰 링(107)을 개재하여 장착되어 있다. 또한, 샤워 플레이트(106)의 외측, 즉 샤워 플레이트(106)에 대해 유지대(104)와는 반대측에 알루미나로 이루어지는 커버 플레이트(108)가 다른 씰 링(109)을 개재하여 장착되어 있다. 이들 샤워 플레이트(106) 및 커버 플레이 트(108)는 처리실(102)의 외벽의 일부를 형성하고 있다.
샤워 플레이트(106)의 상면과 커버 플레이트(108) 사이에는 플라즈마 여기 가스 공급 포트(117)로부터 샤워 플레이트(106) 내로 열려져 연통하는 공급 홀(118)을 통하여 공급된 플라즈마 여기 가스를 충전하는 공간(110)이 형성되어 있다. 환언하면, 상기 커버 플레이트(108)에서 상기 커버 플레이트(108)의 상기 샤워 플레이트(106) 측의 면의 가스 방출 홀(105)에 대응하는 위치에 각각이 연결되도록 홈이 설치되고, 상기 샤워 플레이트(106)와 상기 커버 플레이트(108)의 사이에 상기 공간(110)이 형성된다. 상기 가스 방출 홀(105)은 상기 공간(110)에 연결되도록 배치되어 있다. 가스 방출 홀(105)의 처리실(102)측으로의 출구에는 다공질 세라믹층(124)이 설치되어 있다. 이 다공질 세라믹층(124)은 처리실(102)에 플라즈마 여기 가스를 도입할 때에, 넓은 면적으로부터 가스가 방출되기 때문에, 가스 유속을 저감시키고, 가스의 흐름을 교란시키는 일 없이 균일한 흐름을 실현시키는 기능을 가지고 있다. 또한, 본 실시예에서는 샤워 플레이트(106)의 피처리 기판(103)에 대향하는 면의 외주부를 제외한 전면에 다공질 세라믹층(124)을 설치했지만, 가스 방출 홀(105)의 출구에만 국부적으로 이를 설치하는 것으로도 가스 유속을 저감시킬 수 있다.
상기 커버 플레이트(108)의 상면에는 마이크로파를 방사하기 위한 슬롯이 다수 열린 래디얼 라인 슬롯 안테나의 슬롯판(111), 마이크로파를 직경 방향으로 전파(傳播)시키기 위한 지파판(112), 마이크로파를 안테나에 도입하기 위한 동축 도파관(113)이 설치되어 있다. 또한, 지파판(112)은 상기 슬롯판(111)과 금속판(123) 에 의해 개재되어 있다. 상기 금속판(123)에는 냉각용 유로(114)가 설치되어 있다. 상기 슬롯판(111)으로부터 방사된 마이크로파는 커버 플레이트(108) 및 샤워 플레이트(106)를 투과하여 처리실(102) 상부 공간에 도입되고, 상기 다공질 세라믹(124)층으로부터 방출된 플라즈마 여기 가스를 이 상부 공간에서 전리(電離)시킴으로써, 상기 다공질 세라믹층(124)의 직하(直下) 수 밀리미터의 영역에서 고밀도 플라즈마를 생성한다. 생성된 플라즈마는 확산에 의해 피처리 기판(103)에 도달한다.
도시된 샤워 플레이트(106)는 직경 400 mm, 외주부의 두께는 35 mm이다. 직경 155 mm에서 직경 165 mm의 사이에는 테이퍼가 형성되고, 직경 155 mm 이내의 영역의 샤워 플레이트 두께는 25 mm로 되어 있다. 이 예의 경우, 테이퍼의 각도는 45이지만 이 값에 한정되지 않으며, 또한 테이퍼의 모서리는 둥글게 하여 전계 집중(電界集中)을 억제하는 구조로 하는 것이 바람직하다. 또한, 샤워 플레이트(106)가 고밀도 플라즈마에 노출됨으로써 유입되는 열류(熱流)는 슬롯판(111), 지파판(112) 및 금속판(113)을 통하여 냉각용 유로(114)에 흐르고 있는 물 등의 냉매에 의해 배열(排熱)된다.
도 1에 도시된 플라즈마 이온 주입 장치에는 처리실(102) 내부에 그라운드 플레이트(115)가 설치되어 있다. 그라운드 플레이트(115)는 샤워 플레이트(106)와 피처리 기판(103)을 재치하는 유지대(104)와의 사이에 배치되며 알루미늄 합금 등의 도체로 이루어지고, 샤워 플레이트(106) 직하에서 생성된 플라즈마가 피처리 기판(103)으로 확산 이동 가능한 투과창(121)을 가지며 전기적으로 접지되어 있다.
도 2에 그라운드 플레이트(115)의 평면 형상, 특히 투과창의 형상을 도시한다. 투과창(121)은 도 2a의 201로 도시한 바와 같이 격자 형상 부재로 구획된 매트릭스 형상으로 해도 좋고, 도 2b의 202로 도시한 바와 같이 링 형상으로 해도 좋다. 투과창(121)의 개구 면적의 비율을 변화시킴으로써 플라즈마의 투과율을 제어할 수 있다. 그라운드 플레이트(115)의 역할은 처리실(102) 내부에 고정 전위를 부여하는 것인데, 추가로 온도 제어 기능, 특히 냉각 기능을 가져도 좋다.
이온 주입을 행할 때에는 피처리 기판(103)에 도달하는 이온에 에너지를 부여할 필요가 있다. 이를 위해, 상기 유지대(104) 내부에 설치된 전극에 RF 전원(122)을 콘덴서를 거쳐서 접속하고 RF 전력을 인가함으로써 자기(自己) 바이어스 전압을 피처리 기판(103) 상에 발생시킨다. 이때, 그라운드 플레이트(115)는 피처리 기판(103)용 전극에 RF 전력을 인가했을 때의 그라운드 면이 되기 때문에, 시간 평균적으로 플라즈마 전위를 거의 상승시키는 일 없이 피처리 기판(103) 표면에 음의 셀프 바이어스를 발생시킬 수 있게 된다.
플라즈마 전위가 상승하면 처리실(102) 내벽에 조사되는 이온 에너지가 증가되어, 콘태미네이션의 원인이 된다.
그라운드 플레이트(115)는 RF 주파수에 대해 고주파적으로 접지되어 있으면 플라즈마 전위의 상승을 방지할 수 있으므로, 직류적으로는 반드시 접지되어 있을 필요는 없다. 따라서, 예를 들면 그라운드 플레이트(115)에 음의 DC 전위를 인가하여 이온에 의한 2차 전자 방출에 의해 플라즈마에 전자를 공급하는 수단으로서 이용해도 좋다.
자기(自己) 바이어스 전압은 RF 주파수가 낮은 편이 시스 임피던스가 증가하여 큰 전압이 발생된다. 이 때문에, 예를 들면 1 MHz 정도 이하의 비교적 낮은 주파수로 하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는 RF 전원(122)으로부터 주파수 400 kHz의 RF 전력을 피처리 기판(103)에 인가했다. 또한, 피처리 기판(103)의 온도 제어(특히, 냉각)를 행하기 위하여 유지대(104)에는 온도 제어용 매체를 흐르게 하는 유로(116)가 설치되고, 또한 피처리 기판(103)을 유지 고정하기 위하여 도시하지 않은 정전 척 전극이 유지대(104)에 설치되어 있다.
도 1의 예에서, 유지대(104)는 피처리 기판(103)용 전극을 겸하기 위해 도체로 구성되고, 그 주변을 감싸도록(이 예에서는 피처리 기판(103)의 주변도 감싸도록) 링 형상 절연 부재(125)를 설치하여 처리실(102)의 벽 부재의 일부로 하고 있다. 이를 도전체로 구성해도 좋지만, 고 에너지의 이온이 조사되어 소모가 심해지며, 피처리 기판(103)으로의 콘태미네이션 또는 재현성 악화의 원인이 된다. 따라서, 내플라즈마성이 우수한 Al2O3 또는 산화 이트륨 등의 세라믹으로 구성하거나, 혹은 이러한 세라믹의 막으로 표면이 피복된 절연 부재 또는 도전 부재로 구성하는 것이 바람직하다. 혹은 피처리 기판(103)과 동일한 재료, 예를 들어 실리콘 등을 구성 부재로서 혹은 피복 부재로서 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 도 1과 같은 링 형상 절연 부재(125)를 설치하지 않고, 도 9에 도시한 바와 같이, 유지대(902) 자체를 피처리 기판(903) 및 RF 전극(901)과 동일한 직경 의 절연 부재로 하여 처리실의 벽 부재(도시하지 않음)에 직접 결합시켜도 좋다. 또한, 이 경우에는 RF 전극(901)이 유지대 측면부에 노출되지 않도록 Al2O3, Y2O3 등의 내플라즈마성이 우수한 세라믹을 용사(溶射)하는 등의 방책을 행하고, 예를 들어 두께 1 μm의 절연 보호층(904)을 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 도 10에 도시한 바와 같이, 유지대(1002)를 내플라즈마성이 우수한 Al2O3, Y2O3 등의 세라믹으로 구성하고, RF 전극(1001)을 처리 기판(1003)과 동일한 직경, 혹은 작게 함으로써, 고 에너지 이온이 조사되는 영역을 실질적으로 처리 기판(1003)에만 한정하는 것도 효과적이다.
또한, 도 11에 도시한 바와 같이, 유지대(1102)를 처리 기판(1103)보다 작은 직경으로, RF 전극(1001)과는 동일한 직경의 절연 부재로 구성해도 좋다. 이 경우에도 RF 전극(1001)이 측면부에 노출되지 않도록 Al2O3, Y2O3 등의 내 플라즈마성이 우수한 세라믹을 용사하는 등의 방책을 행하여, 예를 들어 두께 1 μm의 보호층(1104)을 유지대 측면부에 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 도 10, 도 11의 유지대(1002, 1102)는 처리실의 벽 부재(도시하지 않음)에 직접 결합시켜서 이용한다.
여기서, 도 1로 돌아가면, 그라운드 플레이트(115)는, 플라즈마의 열 부하에 의한 지나친 온도 상승을 방지하기 위하여, 열전도율이 높고 저항율이 낮은 재질로 구성하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 Al 합금(Zr 및 Mg를 함유하는 Al)을 이용했다. 그라운드 플레이트(115)의 플라즈마에 노출되는 표면은 플라즈마로부터 대량의 이온이 조사되기 때문에, 강고한 보호막이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 비수용액을 이용한 양극 산화에 의해, 두께가 0.5 μm인 Al2O3 보호막을 형성했다. 보호막은 이에 한정되지 않으며, 예를 들어 Y2O3의 용사막 또는 졸겔법에 의한 도포막이어도 좋고, Al2O3 보호막 상에 추가로 Y2O3의 용사막 또는 졸겔 도포막을 형성하는 방법이어도 좋다.
또한, 그라운드 플레이트(115) 표면에서의 이온과 전자의 재결합에 의해 발생하는 열류를 신속하게 제거하고, 그라운드 플레이트(115)를 정확하게 온도 제어하기(특히 냉각하기) 위해, 그라운드 플레이트(115)의 내부에 온도 제어용 매체를 흐르게 하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 그라운드 플레이트(115) 내부에 매체 유로(120)를 설치하여 매체(특히 냉각용 매체, 예를 들어 열용량이 큰 He 가스, 물, 그 밖의 냉매)를 흐르게 함으로써 150℃로 온도 제어를 행했다. 그라운드 플레이트(115)를 정확하게 온도 제어함으로써, 그 주변 공간 또는 피처리 기판(103)의 온도 상승을 억제하는 효과도 있다.
그라운드 플레이트(115)에 보호막을 형성하면 최표면(最表面)은 절연체가 되는데, 그 두께가 그라운드 플레이트(115)와 플라즈마 사이에 형성되는 시스 두께에 비해 충분히 얇으면, 플라즈마와 그라운드 플레이트(115)의 도체 부분에 형성되는 시스 임피던스는 보호막이 없는 경우에 비해 거의 증가하지 않기 때문에, RF 전력에 대한 그라운드로서 그라운드 플레이트(115)는 충분히 기능한다. 이를 이하에 상술한다.
플라즈마에 접해 있는 물체 표면에 형성되는 시스의 두께 d는 하기 수학식 5로 부여된다.
Figure 112009042850394-pct00005
여기서, V0는 플라즈마와 물체의 전위차(단위는 V), Te는 전자 온도(단위는 eV)이며, λD는 하기 수학식 6으로 부여되는 디바이(Debye) 길이이다.
Figure 112009042850394-pct00006
여기서, ne은 플라즈마의 전자 밀도이다. 이 식으로부터 1012 cm-3인 플라즈마를 여기하면, 시스 두께는 도 3에 나타낸 바와 같이 약 40 μm가 된다. 플라즈마 전위를 상승시키지 않고 웨이퍼에 효율적으로 셀프 바이어스를 발생시키기 위해서는 그라운드 플레이트(115)와 플라즈마 사이의 RF 전력 주파수에서의 임피던스를 낮출 필요가 있다. 이 임피던스 Z(임피던스의 절대값으로 한다)는 그라운드 플레이트(115)와 플라즈마 사이의 용량을 C로 하여, Z = 1/(2πfC)로 부여된다(f는 전력 주파수). 따라서, Z는 C에 역비례하기 때문에, C를 가능한 한 크게 하면 좋다.
시스 두께를 d, 보호막 두께를 t, 보호막의 비유전율을 εs로 하면, 그라운드 플레이트(115)와 플라즈마 사이의 용량 C는 하기 수학식 7이 된다.
Figure 112009042850394-pct00007
본 실시예에서, d = 40 μm, t = 0.5 μm, εs = 9이기 때문에, C의 감소분은 고작 1% 정도가 되어, 보호막 형성에 따른 플라즈마 전위의 상승은 거의 무시할 수 있다. 또한, 상기 수학식으로부터 수 μm의 보호막이 형성되어도 전위 상승은 거의 무시 가능한 것을 알 수 있다.
도 1에 도시한 샤워 플레이트(106)의 직하에는 래디얼 라인 슬롯 안테나(111)로부터 공급된 주파수 2.45 GHz의 마이크로파에 의해, 저전자 온도이며 고밀도인 플라즈마가 생성된다.
플라즈마 중으로의 마이크로파의 침입을 방지하기 위하여, 2.45 GHz의 주파수에 대응하는 컷 오프 밀도 ω2mε0/e2 = 7.5 × 1010 cm-3 이상이 되도록 마이크로파 파워를 설정하는 것이 바람직하다. 여기서, 마이크로파의 각주파수를 ω, 진공 유전율을 ε0, 전자의 질량을 m, 기본 전하를 e로 한다. 이에 따라, 표면파 모드의 플라즈마가 안정적으로 여기되게 된다. 또한, 상기 그라운드 플레이트(115)의 마이 크로파 전계에 의한 가열을 방지하고, 보다 안정된 플라즈마 여기를 행하기 위해서는, 플라즈마 중의 마이크로파 전계를 가능한 한 약하게 하는 것이 바람직하다.
마이크로파 전계가 플라즈마로 침입하는 깊이는, 진공 중의 광 속도를 c, 전자 밀도를 n으로 했을 때에 하기 수학식 8로 규정되는 플라즈마 각(角)진동수 ωpe에 의해, 하기 수학식 9로 규정되는 마이크로파의 플라즈마 내로의 침입 길이로 특징지어 진다.
Figure 112009042850394-pct00008
Figure 112009042850394-pct00009
플라즈마 각진동수는 전자 밀도의 0.5 승(乘)에 비례하여 증가하기 때문에, 전자 밀도를 크게 함으로써 상기 침입 길이는 짧아지고, 그라운드 플레이트(115)의 이상 가열을 방지할 수 있으며, 더욱 안정적으로 플라즈마를 유지할 수 있게 된다. 즉, 샤워 플레이트(106)와 그라운드 플레이트(115)의 거리가, 상기 침입 길이보다 긴 편이 좋다. 특히, 상기 거리가 3 배 이상 길면, 그라운드 플레이트(115)에 도달하는 마이크로파의 파워는 투입 파워의 1% 이하가 되므로, 보다 안정적으로 플라즈마를 유지할 수 있게 된다.
본 실시예에서는 샤워 플레이트(106)와 그라운드 플레이트(115)의 거리를 50 mm로 설정하고 있다. 이에 따라, 전자 밀도가 1.8 × 1011 cm-3 이상인 플라즈마를 여기하면 좋다.
이하, 이온 주입 방법에 대해 차례로 설명을 한다. 예를 들어, MOS 트랜지스터의 소스/드레인 영역으로의 이온 주입은, p＋층을 형성하는 경우에는 BF2＋, n＋층을 형성하는 경우에는 AsF2＋ 또는 PF2＋ 등의 이온을 플라즈마를 여기함으로써 형성하고, 웨이퍼(피처리 기판(103)) 표면에 발생시킨 셀프 바이어스 전압에 의해 가속시켜 웨이퍼에 주입한다. 이 때문에, 플라즈마 여기 가스 공급 포트(117)로부터 처리실(102)에 도입하는 플라즈마 여기 가스로서, 불화물 가스 BF3, AsF3, PF3를 이용한다. 예를 들어, 다이보레인(B2H6)과 같은 수소화물 가스를 이용하는 것은 플라즈마를 여기했을 때에 H＋ 이온과 같은 가벼운 이온이 형성되고, 웨이퍼의 깊은 영역까지 주입되어 대량의 결함을 형성하기 때문에 바람직하지 않다.
또한, 불화물 가스만으로 플라즈마 여기를 행해도 좋지만, 불화물 가스로 플라즈마를 여기하면 F- 이온이 생성되기 때문에 전자가 적은 플라즈마가 되므로, Ar 이온으로 희석하는 것이 전자를 발생시키기 위해서는 효과적이다. 단, 이 경우는 주입 후의 어닐 처리로 주입된 Ar을 확실히 이탈시키는 것이 필요하다.
불화물 가스가 가해지면 상기 설명과 같이 플라즈마의 전자 밀도가 낮아져 전자 밀도가 컷 오프 밀도 이하로 되는 현상을 볼 수 있다. 예를 들어, 주파수 2.45 GHz의 마이크로파의 파워를 1.6 kW/cm2로 하고, Ar과 NF3 가스의 혼합 가스의 총 유량을 200 sccm으로 하여 플라즈마 여기를 한 경우, 샤워 플레이트의 75 mm 하에서의 플라즈마 밀도를 측정하면, 상기 혼합 가스 중의 NF3 가스의 비율이 0 ~ 10% 정도이면 전자 밀도는 7.5 × 1010 cm-3보다 높은 밀도를 유지하지만, 챔버의 압력이 400 mTorr인 경우에는 10%를 넘으면, 압력이 300 mTorr인 경우에는 약 20%를 넘으면, 전자 밀도는 7.5 × 1010 cm-3의 컷 오프 밀도 이하가 되어 챔버의 플라즈마 여기가 불안정해지고, 마이크로파가 플라즈마로 반사되지 않고 투과되어 처리 기판에 도달하여 기판에 대미지를 준다. 그런데, 처리실 내의 압력을 100 mTorr 정도로 내리면 불화물 가스의 비율이 80% 정도까지, 처리실 내의 압력을 50 mTorr로 내리면 불화물 가스의 비율이 100%까지라고 해도, 전자 밀도는 거의 내려가지 않고 컷 오프 밀도 이상으로 유지 가능한 것이 확인되었다.
또한, 마이크로파의 파워를 1.6 kW/cm2 이상으로 하고 NF3 가스 100%, 압력 100 mTorr로 플라즈마 여기를 한 경우, 샤워 플레이트의 75 mm 하에서의 플라즈마를 측정하면, 전자 밀도는 확실히 컷 오프 밀도보다 높아지고(파워가 2.5 kW에서 1.4 × 1011 cm-3 정도), 또한 전자 온도도 낮아져(파워가 2.5 kW에서 1.3 eV 정도), 안정된 플라즈마 여기, 차지업 데미지가 없는 이온 주입이 가능한 것을 확인했다.
또한, BF3 등의 불화물 가스로 플라즈마를 여기하면, F 래디컬이 발생하고, 그 F 래디컬과 피처리 기판의 Si가 반응하여 SiF4가 형성되고, SiF4는 상온이면 휘발 하므로, 결과적으로 피처리 기판인 실리콘 웨이퍼가 에칭되게 된다. SiF4의 휘발 온도는 압력이 76 mTorr일 때 마이너스 160℃이므로, 처리실 내의 압력이 76 mTorr 정도이면, 피처리 기판의 온도를 -160℃ 이하로 하면 이 에칭을 억제할 수 있다. 압력이 이 이하여도 액체 질소(-196℃)의 온도이면 휘발 온도 이하이므로, 액체 질소로 기판을 식히면 래디컬에 의한 에칭을 억제할 수 있다. 따라서, 유지대(104)의 온도 제어 매체 유로(116)로 액체 질소를 흐르게 하는 것이 바람직하다.
이온 주입은 양전하를 가진 이온이 피처리 기판의 이온 주입 영역으로 주입되어 음전하를 가진 2차 전자가 밀려나오기 때문에, 이온 주입 영역은 양으로 대전된다. 소스/드레인 영역 형성을 위한 이온 주입이면, 이온 도스량으로는 1 × 1015 ~ 5 × 1015 cm-2의 이온을 주입할 필요가 있다. 1 회의 이온 충격으로 10 개 정도의 2차 전자가 방출되므로, 1 × 1016 ~ 5 × 1016 cm-2의 양전하가 축적된다.
이온 주입에 의해 게이트 절연막에 발생하는 전계 강도를 저감시키기 위하여 이온 도스를 1000 회로 나누어 행하였다. 즉, 마이크로파 플라즈마를 여기하면서 피처리 기판의 RF 전력을 펄스로 인가했다. RF 전력이 온(on)이 될 때만 셀프 바이어스 전압이 발생하고 이온 주입이 행해진다. RF 전력이 오프(off)일 때에는 플라즈마 중의 전자에 의해 대전을 제거한다. 총 5 × 1015 cm-2의 도스를 행하므로 1 회의 도스량은 5 × 1012 cm-2가 된다. 주입 에너지는 1.5 keV, 즉 RF 인가 시에 발생하는 셀프 바이어스 전압을 1.5 kV로 설정했다. 이 경우, B의 Si 중에서의 도달 거 리는 수 nm 이하가 되고, 매우 얇은 p＋/n 접합의 형성이 가능해진다. 단, 이러한 에너지 영역에서 이온을 Si에 입사시키면, 이온 1 개에 대해 10 개 정도의 2차 전자가 방출되기 때문에, 총 플라즈마 이온 입사에 의한 전하 주입량의 약 10 배의 양‘이 양으로 대전된다. 한편, Ar과 BF3로 플라즈마를 여기한 결과, F-이온과 전자의 비율은 전자가 10% 정도였다. 따라서, 1 회의 펄스로 웨이퍼 상에 양으로 대전된 전하를 전자로 중화하기 위해서는 펄스 간격을 펄스 폭의 약 100 배로 할 필요가 있다. 1 분에 1 매의 웨이퍼를 처리한다고 하고, 기판 바이어스를 인가하는 펄스 폭을 0.6 ms로 하고, 전자에 의해 중화시키는 시간을 50.4 ms로 했다. 즉, 400 kHz의 RF 전력을 50.4 ms마다 0.6 ms의 펄스로 인가했다. 웨이퍼에 조사되는 이온 중 약 1/3이 BF2＋였기 때문에(나머지는 Ar＋), 필요한 이온 전류 밀도 J는 하기 수학식 10으로 설정했다.
Figure 112009042850394-pct00010
전류 밀도는 플라즈마 밀도에 비례하므로, 플라즈마 여기용의 마이크로파 전력으로 플라즈마의 밀도를 변화시킴으로써 제어했다. RF 인가 시간에 반해, 비인가 시간이 약 100 배이므로, 대전시키지 않고 이온 주입을 행하는 것이 가능해졌다. 필요한 이온 전류 밀도 J는 보다 일반적으로는 하기 수학식 11과 같이 부여된다.
Figure 112009042850394-pct00011
여기서, D는 도스량, e는 기본 전하, α는 플라즈마 이온 중의 주입 이온의 비율, N은 펄스 회수, △t는 펄스 폭이다. 또한, 여기에서는 주입 이온이 원자가 일가(一價)로 전리된다고 했지만, 다가(多價) 이온이 존재하는 경우는, 기본 전하 e에 가수(價數)를 곱해서 각각의 가수의 이온에 대해 전류 밀도를 구하여 서로 합한 값을 전류 밀도로서 설정하면 된다.
(실시예 2)
도 4 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 실시예 2로서, 본 발명의 이온 주입 방법을 이용하여 디바이스를 제조한 예를 설명한다. 또한, 실시예 1과 중복되는 부분은 설명을 생략한다.
도 4는 본 발명의 이온 주입 방법을 이용하여 제조한 PMOS 트랜지스터(400)를 도시한다. 도 5 내지 도 8을 이용하여 작성 공정을 도시한다. 도 5는 게이트 전극(511)을 게이트 절연막(512) 상에 형성한 시점에서의 단면도이다. 게이트 전극(511)은 폴리실리콘이다. 우선, p형 실리콘 기판(401)의 n웰(513)에 라이트 도핑 드레인 영역을 형성하기 위한 BF2＋를 본 발명에 따른 플라즈마 이온 주입으로 주입했다. Ar로 희석된 BF3 가스를 도 1의 처리실(102)에 도입하여 플라즈마를 여기했다. 기판 바이어스를 인가하는 펄스 폭을 0.6 ms로 하고, 전자에 의해 중화시키는 시간을 50.4 ms로 하고, 도스량을 2 × 1014 cm-2로 했다. 따라서, 이온 전류는 하기 수학식 12로 설정했다.
Figure 112009042850394-pct00012
기판 바이어스는 0.7 kV로 했다. RF 전원(122)의 RF 전력 주파수는 400 kHz로 하고 있으므로, 그 주기는 BF2＋의 시스 통과 시간보다 길기 때문에, BF2＋는 RF 주파수에 완전하게 추종(追隨)되므로, 최대 에너지는 기판 바이어스의 배인 1.4 kV가 되어 효율적으로 이온 에너지를 얻을 수 있었다. 또한, 유지대(104)의 온도 제어 매체 유로(116)에는 액체 질소를 흐르게 했다. 그 결과, 도 5의 501로 도시한 바와 같은 깊이 방향 5 nm 정도의 영역까지 BF2＋가 주입되었다. 그 후, 600℃ 30분의 활성화 어닐을 행하고, 도 6의 601로 도시한 바와 같은 캐리어 농도가 1019 cm-3인 p형 고농도층이 형성되었다. 동시에 이 어닐에 의해 주입된 F와 Ar을 이탈시켰다. 그 후, 도 7에 도시한 바와 같이, 게이트 전극(511)의 측벽에 SiO2로 사이드 월(711)을 형성한 후, 고농도 소스/드레인층을 형성하기 위해 재차 라이트 도프트 드레인층 형성 시와 동일한 방법으로 도스량 5 × 1015 cm-2를 이온 주입했다. 단, 이온 전류는 하기 수학식 13으로 설정하고, 기판 바이어스는 1.6 kV로 했다.
Figure 112009042850394-pct00013
이 경우에도, BF2＋는 RF 주파수에 완전히 추종(追隨)되기 때문에, 최대 에너지는 기판 바이어스의 배인 3.2 kV가 되어 효율적으로 이온 에너지를 얻을 수 있었다. 이 결과, 도 7의 701로 도시한 바와 같이, 깊이 방향 8 nm 정도의 영역에 BF2＋ 이온을 주입했다. 그 후, 600℃ 30분의 활성화 어닐을 행하고, 도 8의 801로 도시한 바와 같은 캐리어 농도가 2 × 1020 cm-3인 p형 고농도 소스/드레인층이 형성되었다. 그 후, 도 4에 도시한 바와 같이, 소스 드레인(801)의 콘택트용 실리사이드 형성, 층간 절연막(411) 형성, 콘택트 개구, 배선(412) 형성을 행하고, PMOS 트랜지스터(400)를 작성했다. 이온 주입 시에 차지업 데미지를 완전히 제거했기 때문에, 낮은 리크 전류로 이동도가 높은 트랜지스터를 실현할 수 있었다.
상기 설명한 실시예에 본 발명은 한정되지 않으며, 피처리체는 실리콘 기판 외에 이온 주입이 필요한 다른 반도체의 기판 또는 다른 재료여도 좋고, 이온원인 가스도 주입에 필요한 이온을 발생시키는 것이면 좋고, 플라즈마 여기용 가스도 Ar에 한정되지 않고 다른 희가스 또는 그 외의 가스를 이용할 수 있다. 또한, 상기의 예에서는 이온원 가스를 플라즈마 여기용 가스와 병용하고, 또는 플라즈마 여기용 가스와 함께 가스 공급 포트(117)로부터 샤워 플레이트(106)를 통하여 처리실(102)에 도입했지만, 이온원 가스를 플라즈마 여기용 가스와는 다른 경로로 처리실(102) 에 도입하도록 해도 좋다.
이상, 본 발명을 실시예에 따라 설명했지만, 본 발명은 실시예의 구성, 숫자에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 마이크로파의 주파수는 2.45 GHz에 한정되지 않고, 예를 들어 915 MHz이어도 좋고, 플라즈마 여기 가스도 Ar과 불화물(BF3 또는 AsF3 등)의 혼합 가스에 한정되지 않고, 불화물(BF3 또는 AsF3 등의 하나 또는 복수) 가스만으로 해도 좋다.
요컨대, 감압 가능한 처리실과, 이 처리실 내에 플라즈마를 여기하는 수단과, 상기 처리실 내에 설치되어 피처리 기판을 유지하는 유지대와, 상기 처리실 내에서 상기 유지대에 대향하는 위치에 설치되고, 상기 플라즈마를 상기 유지대의 방향으로 투과 가능한 부분을 가지는 도체 부재와, 상기 유지대에 유지되는 상기 피처리 기판에 기판 바이어스용 RF 전력을 인가하는 수단을 포함하고, 상기 도전 부재는 상기 RF 전력의 주파수에 대해 전기적으로 접지되어 있는 것이 본 발명의 특징이다.
그리고, 바람직하게는 상기 플라즈마를 여기하는 수단이 마이크로파원으로부터의 마이크로파를 균일하게 방사하는 RLSA 안테나와, 플라즈마 여기용 가스를 처리실 내에 균일하게 방출하는 샤워 플레이트를 포함하고, 처리실 내의 압력을 100 mTorr 정도 이하로 하여 확실하게 컷 오프 밀도를 넘는 전자 밀도를 플라즈마 중에 확보하고, 기판에는 400 kHz 정도의 RF 바이어스 전력을 간헐적으로 공급하여 비인가 시에 플라즈마 중의 전자에 의한 중화를 행하고, 그라운드 플레이트는 기판 바 이어스의 RF 전력의 주파수에서 접지되어 플라즈마 전위를 상승시키지 않고 확실히 기판에 1 kV ~ 5 kv 정도의 셀프 바이어스를 발생시키는 것이 중요하다.
본 발명에 따른 차지업 데미지가 쉽게 발생하지 않는 이온 주입 장치 및 이온 주입 방법은, 실시예의 PMOS 트랜지스터에 한정되지 않고 다른 반도체 장치, LSI, 그 외 이온 주입을 필요로 하는 전자 장치의 제조에 이용할 수 있다.

Claims (29)

  1. 감압 가능한 처리실과, 상기 처리실 내에 플라즈마를 여기하는 수단과, 상기 처리실 내에 설치되어 피처리 기판을 유지하는 유지대와, 상기 처리실 내에서 상기 유지대에 대향하는 위치에 설치되고, 상기 플라즈마를 상기 유지대의 방향으로 투과 가능한 부분을 가지는 도체 부재와, 상기 유지대에 유지되는 상기 피처리 기판에 기판 바이어스용 RF 전력을 인가하는 수단을 포함하고, 상기 도체 부재는 상기 피처리 기판에 상기 RF 전력을 인가했을 때 그라운드 면이 되도록 상기 RF 전력의 주파수에 대해 전기적으로 접지되어 있는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마를 여기하는 수단은, 상기 처리실 내에 플라즈마 여기용 전력을 공급하는 수단과 상기 처리실 내에 플라즈마 여기용 가스를 공급하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 플라즈마 여기용 가스는 상기 피처리 기판에 주입되어야 할 이온원인 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 플라즈마 여기용 전력의 주파수는 마이크로파 영역인 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 처리실 내에 플라즈마 여기용 전력을 공급하는 수단은, 마이크로파원과 평판 형상 안테나와 상기 마이크로파원으로부터 상기 안테나로 마이크로파를 전달하는 수단을 포함하고, 상기 안테나는 상기 유지대에 대향하는 위치에 유전체 판을 개재하여 설치되고, 상기 안테나로부터 방사된 마이크로파가 상기 유전체 판을 투과하여 상기 처리실 내의 상기 플라즈마 여기용 가스를 조사하여 플라즈마를 발생시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 플라즈마 여기용 가스를 공급되는 수단은, 가스 도입 포트와 상기 유전체 판 내를 통과하여 상기 플라즈마 여기용 가스를 상기 처리실 내로 방출하는 복수의 가스 통로를 포함하고, 상기 플라즈마 여기용 가스가 상기 유전체 판으로부터 상기 처리실 내로 방출되는 공간에서 상기 플라즈마가 발생되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 처리실 내에서, 상기 도체 부재의 상기 유지대와는 반대측 공간에서의 상기 플라즈마의 전자 밀도는, 상기 플라즈마 여기용 전력의 각(角)주파수를 ω, 진공의 유전율을 ε0, 전자 질량을 m, 기본 전하를 e라고 했을 때에, ω2mε0/e2로 규정되는 컷 오프 밀도보다 높은 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 플라즈마 여기용 가스는 불화물 가스를 포함하고, 상기 처리실 내의 압력을, 상기 도체 부재의 상기 유지대와는 반대측 처리실 공간에서의 상기 플라즈마의 전자 밀도가, 상기 마이크로파의 각주파수를 ω, 진공의 유전율을 ε0, 전자의 질량을 m, 기본 전하를 e라고 했을 때에, ω2mε0/e2로 규정되는 컷 오프 밀도보다 높은 밀도로 유지될만한 압력으로 한 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 처리실 내에서, 상기 도체 부재의 상기 유지대와는 반대측 공간이며, 상기 플라즈마가 상기 유전체 판의 상기 도체 부재측에 플라즈마 시스(Sheath)를 개재하여 접해 있는 위치에서의 플라즈마의 전자 밀도가, 상기 안테나에 공급되는 마이크로파의 각주파수를 ω, 진공의 유전율을 ε0, 전자 질량을 m, 기본 전하를 e라고 했을 때에, 상기 전자 밀도가 ω2mε0/e2로 규정되는 컷 오프 밀도보다 높은 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치.
  10. 제 6 항에 있어서,
    하기 수학식 1(단, n은 상기 처리실 내에서 상기 플라즈마가 상기 유전체 판의 상기 도체 부재측에 플라즈마 시스를 개재하여 접해 있는 위치에서의 플라즈마의 전자 밀도, ε0은 진공의 유전율, m은 전자의 질량을, e는 기본 전하)로 규정되는 플라즈마 각(角)진동수를 ωpe로 하고, 상기 안테나에 공급되는 마이크로파의 각주파수를 ω로 했을 때에,
    하기 수학식 2(단, c는 진공 중의 광속도)로 규정되는 마이크로파의 침입 깊이에 비해, 상기 유전체 판과 상기 도체 부재 간의 거리가 긴 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치.
    [수학식 1]
    Figure 112009042938032-pct00014
    [수학식 2]
    Figure 112009042938032-pct00015
  11. 제 6 항에 있어서,
    하기 수학식 3(단, n은 상기 처리실 내에서 상기 플라즈마가 상기 유전체 판의 상기 도체 부재측에 플라즈마 시스를 개재하여 접해 있는 위치에서의 플라즈마의 전자 밀도, ε0은 진공의 유전율, m은 전자의 질량을, e는 기본 전하)로 규정되는 플라즈마 각진동수를 ωpe로 하고, 상기 안테나에 공급되는 마이크로파의 각주파수를 ω로 했을 때에, 하기 수학식 4(단, c는 진공 중의 광속도)로 규정되는 마이크로파의 침입 깊이에 비해, 상기 유전체 판과 상기 도체 부재 간의 거리가 3 배 이상 긴 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치.
    [수학식 3]
    Figure 112009042938032-pct00016
    [수학식 4]
    Figure 112009042938032-pct00017
  12. 제 5 항에 있어서,
    상기 안테나는 래디얼 라인 슬롯 안테나인 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 도체 부재는 직류적으로 전기적으로 접지되어 있는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리실 내벽 중 적어도 상기 플라즈마가 접하는 부분과, 상기 도체 부재의 표면이 금속 산화물 및 금속 질화물 중 적어도 하나로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 도체 부재는, 그 내부에 온도 제어용 매체를 흐르게 하는 수단을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 RF 전력의 주파수의 주기는, 상기 피처리 기판 표면에 형성되는 플라즈마 시스로 상기 플라즈마로부터 유출되는 주입 원자 이온 또는 주입 분자 이온이 상기 피처리 기판에 도달하는 시간에 비해 긴 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치.
  17. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 가스 통로의 가스 방출 부분에 다공질 세라믹 부재가 설치되고, 상기 다공질 세라믹 부재로부터 플라즈마 여기 가스를 처리실 내에 도입하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치.
  18. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 가스 통로의 가스 방출 홀의 직경은 상기 유전체 판과 상기 플라즈마의 사이에 형성되는 시스 두께의 2 배 이하이며, 상기 가스 방출 홀로부터 플라즈마 여기 가스를 처리실 내에 도입하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 유지대를 냉각하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 유지대는 그 내부에 냉각용 매체를 흐르게 하는 수단을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 이온 주입 장치.
  21. 청구항 1에 기재된 이온 주입 장치를 이용하여 이온 주입을 행하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 방법.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 RF 전력을 펄스로 인가함으로써, 복수 회에 나누어 이온 주입을 행하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 펄스는 소정의 폭과 간격을 가지며, 상기 펄스 간격은, 상기 플라즈마에 존재하는 단위 체적의 이온 전하 총수에 대한 전자수의 비율의 역수와, 상기 피처리 기판의 2차 전자 방출 계수와, 상기 펄스 폭과의 곱보다 긴 시간인 것을 특징으로 하는 이온 주입 방법.
  24. 제 21 항에 있어서,
    플라즈마 여기 가스는, 주입해야 할 이온의 원자인 불화물의 가스, 또는 주입해야 할 이온의 원자인 불화물의 가스를 희가스로 희석한 혼합 가스인 것을 특징으로 하는 이온 주입 방법.
  25. 제 21 항에 있어서,
    플라즈마 여기 가스는, BF3, PF3 및 AsF3로부터 선택되는 가스, 또는 BF3, PF3 및 AsF3로부터 선택되는 가스를 Ar, Kr 및 Xe로부터 선택되는 적어도 일종의 희가스로 희석한 혼합 가스인 것을 특징으로 하는 이온 주입 방법.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 피처리 기판은 실리콘을 포함하고, 상기 피처리 기판을 실리콘의 불화물이 상기 처리실의 압력에 있어서 휘발하는 온도보다 낮은 온도로 냉각하는 것을 특징으로 하는 이온 주입 방법.
  27. 청구항 1에 기재된 이온 주입 장치를 이용하여 제조한 반도체 장치.
  28. 청구항 21에 기재된 이온 주입 방법을 이용하여 제조한 반도체 장치.
  29. 청구항 21에 기재된 이온 주입 방법에 따라 이온 주입을 행하는 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
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