KR101120350B1 - 오류 검출 및 처리 제어를 위한 플라즈마 이온 주입모니터링 시스템 - Google Patents

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Abstract

플라즈마 이온 주입 시스템은 처리 챔버(10)와, 처리 챔버 내에 플라즈마를 생성하기 위한 공급원과, 처리 챔버 내에서 기판을 유지하기 위한 플래튼(14)과, 플라즈마로부터 기판 내로 이온을 가속하기 위한 주입 펄스를 발생시키기 위한 펄스 공급원을 포함한다. 일 태양에서, 시스템은 처리 챔버 내의 이온 질량 및 에너지를 측정하도록 구성된 플라즈마 모니터와, 측정된 질량 및 에너지에 응답하여 시스템의 작동 상태를 결정하도록 구성된 분석기(100)를 포함한다. 다른 태양에서, 시스템은 주입 펄스의 샘플을 획득하도록 구성된 데이터 획득 유닛(300)과, 획득된 샘플에 기초하여 시스템의 작동 상태를 결정하도록 구성된 분석기를 포함한다.
플라즈마 이온 주입 장치, 처리 챔버, 주입 펄스, 펄스 공급원, 플라즈마 모니터, 질량 분석기

Description

오류 검출 및 처리 제어를 위한 플라즈마 이온 주입 모니터링 시스템 {Plasma Ion Implantation Monitoring Systems for Fault Detection and Process Control}
본 발명은 기판의 플라즈마 이온 주입을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이고, 특히 플라즈마 이온 주입 시스템의 작동을 모니터링하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
이온 주입은 반도체 웨이퍼 내로 전도성-변경 불순물을 도입하기 위한 표준 기술이다. 종래의 빔라인 이온 주입 시스템에서, 원하는 불순물 재료가 이온 공급원 내에서 이온화되고, 이온은 가속되어 소정의 에너지의 이온 비임을 형성하고, 이온 비임은 웨이퍼의 표면에 지향된다. 비임 내의 에너지 이온은 반도체 재료의 대부분을 투과하고, 반도체 재료의 결정 격자 내로 매립되어 원하는 전도성의 영역을 형성한다.
반도체 산업에서 공지된 경향은 더 작고, 더 높은 속도의 장치를 지향하고 있다. 특히, 반도체 장치 내의 특징부의 측방향 치수 및 깊이가 감소하고 있다. 도핑 재료의 주입 깊이는 반도체 웨이퍼 내로 주입되는 이온의 에너지에 의해 적어도 부분적으로 결정된다. 빔라인 이온 주입기는 전형적으로 비교적 높은 주입 에 너지에서의 효율적인 작동을 위해 설계되고, 박형 접합 주입에 대해 요구되는 낮은 에너지에서는 효율적으로 기능하지 않을 수 있다.
플라즈마 도핑 시스템은 반도체 웨이퍼 내에 박형 접합을 형성하기 위해 연구되어 왔다. 플라즈마 도핑 시스템에서, 반도체 웨이퍼는 음극으로서 기능하며 처리 챔버 내에 위치된 전도성 플래튼 상에 위치된다. 원하는 도핑 재료를 함유하는 이온화 가능한 처리 기체가 챔버 내로 도입되고, 전압 펄스가 플래튼과 양극 또는 챔버 벽 사이에 인가되어, 웨이퍼 주위에 플라즈마 외피를 갖는 플라즈마를 형성한다. 인가된 펄스는 플라즈마 내의 이온이 플라즈마 외피를 가로질러 웨이퍼 내로 주입되게 한다. 주입의 깊이는 웨이퍼와 양극 사이에 인가되는 전압에 관련된다. 매우 낮은 주입 에너지가 달성될 수 있다. 플라즈마 도핑 시스템은 예를 들어 1994년 10월 11일자로 쉥(Sheng)에게 허여된 미국 특허 제5,354,381호, 2000년 2월 1일자로 리베르트(Liebert) 등에게 허여된 미국 특허 제6,020,592호, 및 2001년 2월 6일자로 괴크너(Goeckner) 등에게 허여된 미국 특허 제6,182,604호에 설명되어 있다.
전술한 플라즈마 도핑 시스템에서, 인가되는 전압 펄스는 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마로부터 웨이퍼를 향해 양이온을 가속한다. 플라즈마 잠입 시스템으로 공지된 다른 유형의 플라즈마 시스템에서, 연속형 또는 펄스형 RF 에너지가 처리 챔버에 인가되어, 연속형 플라즈마를 생성한다. 간헐적으로, RF 펄스와 동기화될 수 있는 음전압 펄스가 플래튼과 양극 사이에 인가되어, 플라즈마 내의 양이온이 웨이퍼를 향해 가속되게 한다.
플라즈마 내의 상이한 이온 질량-전하 비율의 분포 및 빈도는 플라즈마 이온 주입에서 주입 용량 및 주입 깊이 프로파일 분포에 대한 기본적인 영향을 갖는다. 처리 챔버 벽 상태, 목표 및 처리 챔버 구성요소의 전자 방출 계수, 웨이퍼 상의 산화물 및 포토레지스트 코팅 등을 포함한 많은 인자가 플라즈마 이온 주입 시스템 내의 이온 질량 분포에 영향을 줄 수 있다. 반복 가능한 플라즈마 이온 주입 처리를 얻기 위해, 이러한 인자들의 변동은, 반복 가능한 이온 질량 분포 및 강도가 처리에 대해 얻어질 수 있도록 검출되고 보상 또는 중화되어야 한다. 이는 반복 가능한 이온 용량 및 도핑제 깊이 분포가 플라즈마 이온 주입 처리에서 얻어지도록 허용한다.
질량 분석이 전통적인 빔라인 이온 주입 시스템에서 채용되었다. 그러나, 질량 분석은 플라즈마에 기초한 처리에서 매우 높은 처리량의 이점을 얻기 위해 플라즈마 이온 주입 시스템에서 포기되었다. 2000년 8월 15일자로 덴홀름(Denholm) 등에게 허여된 미국 특허 제6,101,971호는 플라즈마 이온 주입 시스템 내에서의 광학 방출 분광 분석 및 질량 분석의 사용을 개시한다. 이러한 특허는 플라즈마 이온 주입 시스템 내에서 현장 플라즈마 상태 측정 또는 처리 제어를 위한 질량 분석의 사용은 개시하지 않는다.
플라즈마 이온 주입 시스템에서, 짧은 DC 전압 펄스(대략 1 내지 100 ms)가 플라즈마 내에 잠입된 기판에 인가된다. 이러한 펄스는 플라즈마 내의 양이온을 목표를 향해 가속하여, 이온 주입을 일으킨다. DC 주입 펄스의 전압 및 전류 파형과 이러한 파형의 변동은 주입 처리의 문제점을 표시할 수 있다. 플라즈마 이온 주입의 전형적인 모니터링은 잔류 기체 분석기 또는 광학 방출 분광 분석 기기를 포함한다. 이러한 유형의 플라즈마 모니터링은 플라즈마 이온 주입에서 사용되는 DC 펄스의 임계 전압 및 전류 파형의 일시적인 변화를 검출하기에 너무 긴 시간 스케일로 수행된다. 이러한 파형 내에 담긴 유용한 처리 모니터링 정보는 전형적인 플라즈마 모니터링 기술이 이용될 때, 손실된다.
본 발명의 제1 태양에 따르면, 플라즈마 이온 주입 장치가 제공된다. 플라즈마 이온 주입 장치는 처리 챔버와, 기판을 지지하기 위해 처리 챔버 내에 위치된 플래튼과, 처리 챔버 내에서 플래튼으로부터 이격된 양극과, 처리 챔버에 결합된 기체 공급원과, 플라즈마로부터 기판 내로 이온을 가속하기 위해 플래튼과 양극 사이에 주입 펄스를 인가하기 위한 펄스 공급원과, 처리 챔버 내의 이온의 질량 및 에너지를 측정하도록 구성된 플라즈마 모니터를 포함하고, 처리 기체의 플라즈마 함유 이온은 양극과 플래튼 사이의 플라즈마 방전 영역 내에서 생성된다. 측정된 이온 질량 및 에너지는 플라즈마 이온 주입 장치의 작동 상태를 표시한다.
본 발명의 제2 태양에 따르면, 플라즈마 이온 주입 장치가 제공된다. 플라즈마 이온 주입 장치는 처리 챔버와, 기판을 지지하기 위해 처리 챔버 내에 위치된 플래튼과, 처리 챔버 내에서 플래튼으로부터 이격된 양극과, 처리 챔버에 결합된 처리 기체 공급원과, 플라즈마로부터 기판 내로 이온을 가속하기 위해 플래튼과 양극 사이에 주입 펄스를 인가하기 위한 펄스 공급원과, 주입 펄스의 샘플을 획득하도록 구성된 데이터 획득 유닛을 포함하고, 처리 기체의 플라즈마 함유 이온은 양극과 플래튼 사이의 플라즈마 방전 영역 내에서 생성되고, 획득된 샘플은 플라즈마 이온 주입 장치의 작동 상태를 표시한다.
본 발명의 제3 태양에 따르면, 기판의 플라즈마 이온 주입을 위한 방법이 제공된다. 방법은 처리 챔버와, 처리 챔버 내에 플라즈마를 생성하기 위한 공급원과, 처리 챔버 내에서 기판을 유지하기 위한 플래튼과, 플라즈마로부터 기판 내로 이온을 가속하기 위한 주입 펄스를 발생시키기 위한 펄스 공급원을 포함하는 플라즈마 이온 주입 시스템을 제공하는 단계와, 상기 처리 챔버 내의 이온의 질량 및 에너지의 측정을 획득하는 단계와, 이온 질량 및 에너지의 획득된 측정에 기초하여 플라즈마 이온 주입 시스템의 작동 상태를 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제4 태양에 따르면, 기판의 플라즈마 이온 주입을 위한 방법이 제공된다. 방법은 처리 챔버와, 처리 챔버 내에 플라즈마를 생성하기 위한 공급원과, 처리 챔버 내에서 기판을 유지하기 위한 플래튼과, 플라즈마로부터 기판 내로 이온을 가속하기 위한 주입 펄스를 발생시키기 위한 펄스 공급원을 포함하는 플라즈마 이온 주입 시스템을 제공하는 단계와, 상기 주입 펄스의 샘플을 획득하는 단계와, 획득된 샘플에 기초하여 플라즈마 이온 주입 시스템의 작동 상태를 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 더 나은 이해를 위해, 본원에 참조로 인용되는 첨부된 도면이 참조된다.
도1은 플라즈마 이온 주입 시스템의 단순화된 개략적인 블록 선도이다.
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 이온 주입 시스템의 단순화된 개략적인 블록 선도이다.
도3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 이온 주입 시스템의 단순화된 개략적인 블록 선도이다.
도4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 이온 주입 시스템의 단순화된 개략적인 블록 선도이다.
도5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 시간 분해 질량 및 에너지 측정을 얻기 위한 시스템의 블록 선도이다.
도6은 도5에 도시된 시스템의 작동을 도시하는 시간 선도이다.
도7은 본 발명의 제5 실시예에 따른 플라즈마 이온 주입 시스템의 개략적인 블록 선도이다.
본 발명의 실시에 적합한 플라즈마 이온 주입 시스템의 일례가 도1에 개략적으로 도시되어 있다. 본 발명의 실시예는 도2 내지 도7과 관련하여 설명된다. 도1 내지 도7의 유사한 요소들은 동일한 도면 부호를 갖는다.
처리 챔버(10)는 밀폐된 체적(12)을 한정한다. 챔버(10) 내에 위치된 플래튼(14)은 반도체 웨이퍼(20)와 같은 기판을 유지하기 위한 표면을 제공한다. 웨이퍼(20)는 예를 들어 그의 주연부에서 플래튼(14)의 편평 표면에 클램핑될 수 있거나 정전기적으로 클램핑될 수 있다. 일 실시예에서, 플래튼은 웨이퍼(20)를 지지하기 위한 전기 전도성 표면을 갖는다. 다른 실시예에서, 플래튼은 웨이퍼(20)에 대한 연결을 위한 (도시되지 않은) 전도성 핀을 포함한다. 또한, 플래튼(14)은 웨이퍼/기판 온도를 제어하기 위한 가열/냉각 시스템을 구비할 수 있다.
양극(24)이 챔버(10) 내에서 플래튼(14)에 대해 이격된 관계로 위치된다. 양극(24)은 플래튼(14)에 대해 직교하여, 화살표(26)에 의해 표시된 방향으로 이동할 수 있다. 양극은 전형적으로 챔버(10)의 전기 전도성 벽에 연결되고, 이들 모두는 접지에 연결될 수 있다. 다른 실시예에서, 플래튼(14)은 접지에 연결되고, 양극(24)은 음극 전압으로 펄스 연결된다. 다른 실시예에서, 양극(24) 및 플래튼(14)은 접지에 대해 바이어스될 수 있다.
(플래튼(14)을 거친) 웨이퍼(20) 및 양극(24)은 고압 펄스 공급원(30)에 연결되어, 웨이퍼(20)는 음극으로서 기능한다. 펄스 공급원(30)은 전형적으로 진폭이 약 20 내지 20,000V이고, 지속 시간이 약 1 내지 200 ㎲이고, 약 100 Hz 내지 20 kHz의 펄스 반속 속도 범위의 펄스를 제공한다. 이러한 펄스 파라미터 값은 단지 예시적으로 주어지고, 다른 값이 본 발명의 범주 내에서 이용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
챔버(10)의 밀폐된 체적(12)은 제어 가능한 밸브(32)를 통해 진공 펌프(34)에 결합된다. 처리 기체 공급원(36)이 질량 유동 제어기(38)를 통해 챔버(10)에 결합된다. 챔버(10) 내에 위치된 압력 센서(48)가 챔버 압력을 표시하는 신호를 제어기(46)에 제공한다. 제어기(46)는 감지된 챔버 압력을 원하는 압력 입력과 비교하고, 제어 신호를 밸브(32) 또는 질량 유동 제어기(38)에 제공한다. 제어 신호는 챔버 압력과 원하는 압력 사이의 차이를 최소화하기 위해 밸브(32) 또는 질량 유동 제어기(38)를 제어한다. 진공 펌프(34), 밸브(32), 질량 유동 제어기(38), 압력 센서(48), 및 제어기(46)는 폐쇄 루프 압력 제어 시스템을 구성한다. 압력은 전형적으로 약 1 밀리토르 내지 약 500 밀리토르의 범위 내에서 제어되지만, 이러한 범위로 제한되지는 않는다. 기체 공급원(36)은 주입을 위한 원하는 도핑제를 함유하는 이온화 가능한 기체를 작업편 내로 공급한다. 이온화 가능한 기체의 예는 BF3, N2, Xe, H2, O2, Ar, PH3, PF3, AsH3, AsF5 및 B2H6를 포함한다. 질량 유동 제어기(38)는 기체가 챔버(10)로 공급되는 속도를 조절한다. 도1에 도시된 구성은 원하는 유속 및 일정한 압력에서의 처리 기체의 연속적인 유동을 제공한다. 압력 및 기체 유속은 양호하게는 반복 가능한 결과를 제공하도록 조절된다. 다른 실시예에서, 기체 유동은 제어기(46)에 의해 제어되는 밸브를 사용하여 조절될 수 있고, 밸브(32)는 고정된 위치에 유지된다. 그러한 배열은 상류 압력 제어로 불린다. 기체 압력을 조절하기 위한 다른 배열이 이용될 수 있다.
플라즈마 이온 주입 시스템은 중공 음극 펄스 공급원(56)에 연결된 중공 음극(54)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 중공 음극(54)은 양극(24)과 플래튼(14) 사이의 공간을 둘러싸는 전도성 중공 실린더를 포함한다. 중공 음극은 매우 낮은 이온 에너지를 요구하는 용도에서 이용될 수 있다. 특히, 중공 음극 펄스 공급원(56)은 챔버(12) 내에서 플라즈마를 형성하기에 충분한 펄스 전압을 제공하고, 펄스 공급원(30)은 원하는 주입 전압을 확립한다. 중공 음극의 사용에 관한 추가의 세부 사항은 본원에 통합되어 참조된 전술한 미국 특허 제6,182,604호에 제 공되어 있다.
하나 이상의 패러데이 컵이 웨이퍼(20) 내로 주입되는 이온 용량을 측정하기 위해 플래튼(14)에 인접하여 위치될 수 있다. 도1의 실시예에서, 패러데이 컵(50, 52 등)은 웨이퍼(20)의 주연부 둘레에서 등간격으로 이격된다. 각각의 패러데이 컵은 플라즈마(40)와 대면하는 입구(60)를 갖는 전도성 용기를 포함한다. 각각의 패러데이 컵은 양호하게는 웨이퍼(20)에 대해 실질적으로 가까이 위치되고, 플라즈마(40)로부터 플래튼(14)을 향해 가속되는 양이온의 샘플을 포집한다. 다른 실시예에서, 환형 패러데이 컵이 웨이퍼(20) 및 플래튼(14) 둘레에 위치된다.
패러데이 컵은 용량 처리기(70) 또는 다른 용량 모니터링 회로에 전기적으로 연결된다. 입구(60)를 통해 각각의 패러데이 컵으로 들어가는 양이온은 패러데이 컵에 연결된 전기 회로 내에서, 이온 흐름을 나타내는 전류를 생성한다. 용량 처리기(70)는 이온 용량을 결정하기 위해 전류를 처리할 수 있다.
플라즈마 이온 주입 시스템은 플래튼(14)을 둘러싸는 보호 링(66)을 포함할 수 있다. 보호 링(66)은 웨이퍼(20)의 모서리 근방의 주입 이온 분포의 균일성을 개선하도록 바이어스될 수 있다. 패러데이 컵(50, 52)은 웨이퍼(20) 및 플래튼(14)의 주연부 근방에서 보호 링(66) 내에 위치될 수 있다.
플라즈마 이온 주입 시스템은 시스템의 구성에 따라, 추가의 구성요소를 포함할 수 있다. 시스템은 전형적으로 원하는 주입 처리를 실시하기 위해 플라즈마 이온 주입 시스템의 구성요소를 제어하고 모니터링하는 (도시되지 않은) 처리 제어 시스템을 포함한다. 연속형 또는 펄스형 RF 에너지를 이용하는 시스템은 안테나 또는 유도 코일에 결합된 RF 공급원을 포함한다. 시스템은 전자를 구속하고 플라즈마 밀도 및 공간 분포를 제어하는 자장을 제공하는 자석 요소를 포함할 수 있다. 플라즈마 이온 주입 시스템 내에서의 자석 요소의 사용은 예를 들어 본원에 통합되어 참조된, 2003년 6월 12일자로 공개된 WO 03/049142호에 설명되어 있다.
작동 시에, 웨이퍼(20)는 플래튼(14) 상에 위치된다. 압력 제어 시스템, 질량 유동 제어기(38), 및 기체 공급원(36)은 챔버(10) 내에서 원하는 압력 및 기체 유속을 생성한다. 예시적으로, 챔버(10)는 10 밀리토르 압력의 BF3 기체로 작동할 수 있다. 펄스 공급원(30)은 웨이퍼(20)에 일련의 고압 펄스를 인가하여, 웨이퍼(20)와 양극(24) 사이의 플라즈마 방전 영역(44) 내에서 플라즈마(40)를 형성한다. 기술 분야에 공지된 바와 같이, 플라즈마(40)는 기체 공급원(36)으로부터의 이온화 가능한 기체의 양이온을 함유한다. 플라즈마(40)는 웨이퍼(20)의 주변, 전형적으로 표면에서 플라즈마 외피(42)를 포함한다. 고압 펄스 중에 양극(24)과 플래튼(14) 사이에 존재하는 전기장은 플라즈마(40)로부터 플라즈마 외피(42)를 가로질러 플래튼(14)을 향해 양이온을 가속한다. 가속된 이온은 웨이퍼(20) 내로 주입되어 불순물 재료의 영역을 형성한다. 펄스 전압은 양이온을 웨이퍼(20) 내의 원하는 깊이로 주입하도록 선택된다. 펄스의 개수 및 펄스 지속 시간은 웨이퍼(20) 내에 불순물 재료의 원하는 용량을 제공하도록 선택된다. 펄스당 전류는 펄스 전압, 펄스 폭, 펄스 주파수, 기체 압력 및 종, 그리고 전극들의 임의의 가변적인 위치의 함수이다. 예를 들어, 음극-양극 간격은 상이한 전압에 대해 조정될 수 있 다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 이온 주입 시스템의 단순화된 개략적인 블록 선도가 도2에 도시되어 있다. 도1에 도시된 시스템 구성요소는 간단하게 하기 위해 그리고 본 발명의 이해를 돕기 위해 생략되었다. 질량 및 에너지 분석기(100)가 처리 챔버(10) 내의 플라즈마(40)와 관련된 이온의 질량 및 에너지를 결정하도록 구성된다. 질량 및 에너지 분석기(100)는 처리 챔버(10)로부터 이온을 추출하여, 이온의 질량, 에너지 및 밀도를 결정한다.
일례에서, 질량 및 에너지 분석기(100)는 하이덴(Hiden)에 의해 제조되어 판매되는 모델 EQP 질량 분광 분석기일 수 있다. EQP 질량 분광 분석기는 정전기 섹터 필드 에너지 분석기 및 이에 뒤따르는 4중극자 질량 필터 및 이온 계수 검출기를 포함한다. 에너지 분석기는 정전기 분석기를 형성하는 한 쌍의 만곡된 전극을 포함할 수 있다. 질량 분석기는 4중극자 질량 분석기를 포함할 수 있다. EQP 질량 분광 분석기는 1E-6 토르 정도의 낮은 내부 압력으로 작동하고, 낮은 내부 압력을 유지하기 위해, 50 - 300 ㎛ 정도의 작은 오리피스를 통해 플라즈마 이온 주입 시스템의 처리 챔버와 연통한다. 추출기가 분석을 위해 이온을 오리피스를 통해 질량 분광 분석기 내로 끌어낸다.
질량 분광 분석기는 선택된 에너지 및 질량을 갖는 이온이 주어진 시점에서 검출되도록 작동한다. 질량 분광 분석기는 에너지 및 질량 스캐닝 창 내의 이온이 검출되도록 스캐닝 모드로 작동할 수 있다. 검출된 신호는 플라즈마 내의 상이한 질량 및 에너지를 갖는 이온의 개수를 반영한다.
질량 및 에너지 데이터는 하나 이상의 소정의 알고리즘에 따라 데이터를 처리하는 실시간 데이터 분석 유닛(140)으로 공급된다. 간단한 예에서, 데이터 분석 유닛(140)은 특정 종의 백분율과 같은 규정된 파라미터를 추출하기 위해 질량 및 에너지 데이터를 처리할 수 있고, 규정된 파라미터를 원하는 한계와 비교할 수 있다. 규정된 파라미터가 원하는 한계 외부에 있으면, 오류 신호가 발생될 수 있다. 오류 신호는 플라즈마 이온 주입 처리를 종결시키기 위해 처리 제어기를 중단시킬 수 있거나, 작업자에게 조치를 취하도록 신호를 보낼 수 있다. 실시간 분석에 대안적으로 또는 그에 추가하여, 질량 및 에너지 데이터는 이후의 분석을 위해 데이터 저장 유닛(142) 내에 저장될 수 있다. 단지 예시적으로, 데이터 분석 유닛(140)은 프로그램식 디지털 신호 처리기로서 실시될 수 있고, 데이터 저장 유닛(142)은 하나 이상의 디스크 드라이브로서 실시될 수 있다.
질량 및 에너지 분석기(100)는 플라즈마 이온 주입 시스템 내에서의 현장 질량 및 에너지 측정을 위해 채용될 수 있다. 질량 및 에너지 분석기는 처리 결과를 오염시킬 수 있는 원치 않는 이온 종의 출현 존재와 같은, 처리 오류 검출 능력을 제공할 수 있다. 질량 및 에너지 분석기는 또한 예를 들어 이온 질량 분포 또는 강도의 편차를 보상하도록 플라즈마 처리 파라미터를 조정하기 위해, 폐쇄 루프 처리 제어 시스템 내에서 실시될 수 있다. 질량 및 에너지 분석기는 글로우 방전 또는 RF 공급 기술과 같은 임의의 플라즈마 이온 공급 기술과 함께 그리고 펄스형 또는 연속형 플라즈마 공급원과 함께 채용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 질량 및 에너지 분석기(100)는 처리 챔버로부터 입구 오 리피스를 통해 이온을 추출할 수 있다. 입구 오리피스는 처리 챔버(10) 내에서 여러 위치를 가질 수 있다.
도2의 실시예에서, 질량 및 에너지 분석기(100)의 입구 오리피스(110)는 양극(24) 내에 위치된다. 질량 및 에너지 분석기(100)는 따라서 플라즈마 방전 영역(44)으로부터 이온을 획득하지만, 플래튼(14)을 향해 가속되는 이온을 획득하지는 않는다.
도3에 도시된 제2 실시예에서, 질량 및 에너지 분석기(100)의 입구 오리피스(120)는 플래튼(14) 내에 위치된다. 이러한 실시예에서, 질량 및 에너지 분석기(100)는 펄스 공급원(30)에 의해 플래튼(14)을 향해 가속되는 이온을 획득한다. 도3의 실시예는 기판이 질량 및 에너지 측정 중에 플래튼(14) 상에 존재하지 않을 것을 요구하거나, 입구 오리피스(120)와 정렬된 개구를 갖는 특수 기판의 사용을 요구한다. 도3의 실시예는 유지 보수 및 진단 측정에 가장 유용하다.
도4에 도시된 제3 실시예에서, 질량 및 에너지 분석기(100)의 입구 오리피스(130)는 플래튼(14)의 기판 지지 표면에 인접한 보호 링(66) 내에 위치된다. 이러한 실시예에서, 이온 질량 및 에너지는 웨이퍼(20)의 플라즈마 이온 주입 중에 분석될 수 있다. 질량 및 에너지 분석기(100)는 플라즈마(40)로부터 플래튼(14)을 향해 가속되는 이온을 획득한다. 도4의 구성은 플라즈마 이온 주입 중에 실시간 현장 질량 및 에너지 측정을 허용한다. 2개 이상의 입구 오리피스가 플래튼(14)의 주연부 둘레에 위치될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 입구 오리피스들은 질량 및 에너지 분석기(100)에 대한 공통의 연결부를 가질 수 있거나, 질량 및 에너지 분석 기(100)에 연속적으로 연결될 수 있다. 다른 실시예에서, 2개 이상의 입구 오리피스가 각각의 질량 및 에너지 분석기와 관련될 수 있다.
도4는 또한 처리 제어를 위한 폐쇄 루프 구성에서 이용되는 질량 및 에너지 분석기(100)를 도시한다. 질량 및 에너지 분석기(100)에 의해 획득된 측정은 실시간 데이터 분석 유닛(140)에 제공될 수 있다. 데이터 분석(140)은 플라즈마 이온 주입 시스템의 작동을 평가하기 위해 질량 및 에너지 측정을 처리할 수 있다. 플라즈마 이온 주입 시스템의 작동이 작동 파라미터의 소정 범위 외부에 있다고 결정되면, 시스템은 조정되거나 정지될 수 있다. 도4의 예에서, 분석 유닛(140)은 제어 신호를 펄스 공급원(30)에 제공한다. 예를 들어, 펄스 폭, 펄스 주파수, 및/또는 펄스 진폭이 시스템 작동을 원하는 범위 내로 맞추도록 조정될 수 있다. 플라즈마 이온 주입 시스템의 여러 파라미터들은 본 발명의 범주 내에서 조정될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 도1을 참조하면, 원하는 압력이 조정될 수 있고, 처리 기체의 유동이 조정될 수 있고, 그리고/또는 중공 전극 펄스 공급원(56)이 조정될 수 있다.
질량 및 에너지 측정은 연속적으로 또는 규정된 시간 간격 중에 획득될 수 있다. 따라서, 질량 및 에너지 분석기(100)는 규정된 시간 간격 중에 측정을 획득하도록 활성화될 수 있다. 특히, 측정은 플라즈마 이온 주입 시스템의 작동에 대해 동기화될 수 있다.
본 발명의 제4 실시예에 따라 질량 및 에너지 측정을 펄스 공급원(30)에 의해 생성되는 주입 펄스에 대해 동기화하기 위한 방법이 도5에 도시되어 있다. 펄 스 공급원(30)은 주입 펄스(220)를 도1에 도시되고 전술한 바와 같이 처리 챔버(10)로 공급한다. 분석용 이온이 질량 및 에너지 분석기(100)에 의해 처리 챔버(10)로부터 추출된다. 주입 펄스는 또한 가변 지연 발생기(200)로 공급되고, 지연 발생기(200)에 의해 출력된 지연 펄스(222)는 가변 게이트 펄스 발생기(210)로 공급된다. 게이트 펄스 발생기(210)에 의해 출력된 게이팅 펄스(224)는 외부 개시자로서 질량 및 에너지 분석기(100)로 공급되고, 질량/에너지 데이터는 게이팅 펄스가 인가될 때에만 수집된다.
시간 분해 측정 시스템의 작동이 도6을 참조하여 설명된다. 도6의 시간 선도에서, 주입 펄스(220)는 펄스 폭(T2)을 갖고, 시간 간격(T1)으로 반복된다. 각각의 주입 펄스(220)는 펄스 폭(T3)을 갖는 지연 펄스(222)를 개시한다. 지연 펄스(222)는 주입 펄스(220)의 시작과 질량 및 에너지 측정의 시작 사이의 시간 지연을 확립한다. 지연 펄스(222)는 펄스 폭(T4)을 갖는 게이팅 펄스(224)를 개시한다. 게이팅 펄스(224)는 질량 및 측정이 획득되는 시간 간격을 확립한다. 따라서, 가변 지연 발생기(200)는 주입 펄스(220)의 시작에 대한 게이팅 펄스(224)의 시간 지연을 확립하고, 가변 게이트 펄스 발생기(210)는 게이팅 펄스(224)의 폭을 확립한다. 게이팅 펄스(224)는 주입 펄스(220) 중에 또는 그 후에 발생할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 주입 펄스(220) 이외의 사건이 가변 지연 발생기(200)를 개시하도록 사용될 수 있다.
본 발명의 제5 실시예에 따른 플라즈마 이온 주입 시스템의 개략적인 블록 선도가 도7에 도시되어 있다. 도7의 실시예는 오류 검출 및/또는 폐쇄 루프 처리 제어를 위해 플라즈마 이온 주입 시스템의 작동과 관련된 파형을 모니터링하는 것에 기초한다. 전술한 바와 같이, 플래튼(14)에 인가되는 음극 펄스는 플라즈마 내의 양이온을 기판을 향해 가속하여, 이온 주입을 일으킨다. 주입 펄스의 전류 및 전압 파형의 변동은 주입 처리에서 아크 형성과 같은 문제점을 표시할 수 있다. 또한, 실시간 데이터 분석에 의한 주입 펄스의 현장 고대역폭 모니터링은 플라즈마 처리 상태의 변화에 대한 정보를 제공할 수 있고, 폐쇄 루프 처리 제어를 가능케 할 수 있다.
도7을 참조하면, 펄스 공급원(30)으로부터의 전압 및 전류 신호는 저압 신호(예를 들어, 0 내지 10V)로 변환되고, 고속 데이터 획득 유닛(300)으로 공급된다. 데이터 획득 유닛(300)은 이러한 실시예에서 10 MHz까지의 사용자 선택 속도로 전압 및 전류 파형을 샘플링한다. 따라서, 1 ms만큼 짧은 주입 펄스에 대해서도, 각각의 주입 펄스의 다중 샘플이 획득된다. 전압 오버슈트, 펄스 상승 시간, 펄스 하강 시간, 및 전압 변동과 같은 처리 파라미터가 디지털 신호 처리 또는 등가의 기술을 사용하여 고속 데이터로부터 추출된다. 데이터는 실시간으로 분석되고, 정상 작동 범위 내부에 있는지 또는 외부에 있는지가 표시된다. 데이터가 정상 작동 범위 내부에 있을 때, 데이터 요약이 주기적으로 처리 제어 시스템으로 전송된다. 데이터가 정상 작동 범위 외부에 있을 때, 오류 상태가 표시된다. 높은 샘플링 속도 데이터가 미래의 분석을 위해 저장되고, 처리 제어 시스템은 오류 상태를 통지받는다.
도7에 도시된 바와 같이, 데이터 획득 유닛(300)에 의해 획득된 데이터는 실 시간 데이터 분석 유닛(310) 및 데이터 저장 유닛(320)으로 공급될 수 있다. 데이터 분석 유닛(310)은 전압 및 전류 파형을 나타내는 획득된 데이터를 분석하여, 전술한 바와 같이 오류 신호를 발생시킬 수 있다. 선택된 데이터는 미래의 분석을 위해 데이터 저장 유닛(320) 내에 저장될 수 있다. 데이터 획득 유닛(300)은 개시 유닛(330)을 거쳐 개시될 수 있고, 이는 수동 또는 자동일 수 있다. 예를 들어, 처리 제어 시스템은 일련의 주입 펄스의 시작에서 데이터 획득 유닛(300)에 의한 데이터 획득을 자동으로 개시할 수 있고, 주입 펄스 시퀀스가 완성되면 데이터 획득의 중단을 개시할 수 있다.
데이터 획득 유닛(300)은 플라즈마 이온 주입 시스템의 작동을 나타내는 임의의 신호와 관련된 데이터를 획득할 수 있다. 도7에 도시된 바와 같이, 패러데이 컵(50, 52)에 의해 발생된 전류 파형이 데이터 획득 유닛(300)으로 공급된다. 용량 전류 파형은 고속으로 샘플링되어 기판 내로 주입되는 이온 흐름을 나타내는 정보를 제공한다.
도7에 도시된 데이터 획득 배열은 전술한 바와 같이 개방 루프 구성으로 이용될 수 있고, 여기서 시스템 작동이 모니터링되고 규정된 상태가 처리 제어 시스템에 보고된다. 다른 실시예에서, 데이터 획득 유닛(300)은 폐쇄 루프 제어 시스템의 일부일 수 있다. 특히, 데이터 분석 유닛(310)은 규정된 파라미터가 언제 정상 작동 범위 외부에 있는지를 결정할 수 있다. 이상 상태가 검출되면, 제어 신호가 펄스 폭, 펄스 주파수, 및/또는 펄스 진폭과 같은 주입 펄스의 하나 이상의 파라미터를 조정하도록 펄스 공급원(30)에 제공되어, 작동을 정상 작동 범위를 향해 조정할 수 있다. 다른 실시예에서, 처리 챔버 압력, 처리 기체 유동, 및/또는 중공 전극 펄스 공급원(56)은 데이터 분석 유닛(310)에 의해 검출된 이상 상태에 응답하여 조정될 수 있다.
일례에서, 데이터 획득 유닛(300)은 내셔널 인스트루먼츠(National Instruments) PXI 컴퓨터 내에서 작동하는, 3개의 10 MHz 채널을 갖는 내셔널 인스트루먼츠 모델 6115 고속 데이터 획득 카드를 사용하여 실시되고, 컨듀언트 스트림스터(Conduant Streamstor) 스트리밍 데이터 저장 유닛이 8개의 250 GB 하드 드라이브의 어레이로서 실시된 데이터 저장 유닛(320)에 초당 60 MB를 공급한다. 데이터 분석 유닛(310)은 주입 파라미터 값 및 경향을 실시간으로 계산하고 편위를 적절한 피드백 신호와 함께 처리 제어 시스템에 보고하는 전용 처리기를 포함할 수 있다. 모니터링되고 계산되는 파라미터는 처리 특이성 및 공정 특이성이고, 각각의 데이터 수집 시퀀스 이전에 처리 제어 시스템에 의해 데이터 분석 유닛(310)으로 전달될 수 있다.
다양한 예시적이며 비제한적인 실시예 및 그의 태양이 이렇게 설명되었지만, 변형 및 변경이 당업자에게 명백할 것이다. 그러한 변형 및 변경은 본 발명의 예시 및 설명이 목적이며 본 발명의 한계를 한정하도록 의도되지 않은 본 명세서 내에 포함되도록 의도된다. 본 발명의 범주는 첨부된 청구범위의 적절한 구성 및 그의 등가물로부터 결정되어야 한다.

Claims (39)

  1. 플라즈마 이온 주입 장치이며,
    처리 챔버와,
    기판을 지지하기 위해 상기 처리 챔버 내에 위치된 플래튼과,
    상기 처리 챔버 내에서 상기 플래튼으로부터 이격된 양극과,
    상기 처리 챔버에 결합된 처리 기체 공급원과,
    플라즈마로부터 기판 내로 이온을 가속하기 위해 상기 플래튼과 상기 양극 사이에 주입 펄스를 인가하기 위한 펄스 공급원과,
    상기 처리 챔버 내의 이온 질량 및 에너지를 측정하도록 구성된 플라즈마 모니터를 포함하고,
    처리 기체의 이온을 함유하는 플라즈마가 상기 양극과 상기 플래튼 사이의 플라즈마 방전 영역 내에서 생성되고,
    측정된 이온 질량 및 에너지는 플라즈마 이온 주입 장치의 작동 상태를 표시하며,
    플라즈마 모니터의 입구는 플래튼의 기판 지지 표면에 인접한 보호 링 내에 위치되고 플라즈마 방전 영역으로부터 기판으로 가속되는 이온을 획득하도록 위치되는 플라즈마 이온 주입 장치.
  2. 제1항에 있어서, 플라즈마 모니터는 이온 질량 및 에너지 분석기를 포함하는 플라즈마 이온 주입 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 플라즈마 모니터는 플라즈마 방전 영역 내의 이온을 분석하도록 구성되고 위치되는 플라즈마 이온 주입 장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 플라즈마 모니터는 상기 주입 펄스에 대해 선택된 시간 간격 중에 이온 질량 및 에너지를 결정하도록 구성되는 플라즈마 이온 주입 장치.
  9. 제1항에 있어서, 플라즈마 모니터는 획득 시간 간격 중에 이온 질량 및 에너지를 결정하도록 구성되는 플라즈마 이온 주입 장치.
  10. 제1항에 있어서, 플라즈마 모니터는 이온 질량 및 에너지의 시평균 측정을 수행하도록 구성되는 플라즈마 이온 주입 장치.
  11. 제1항에 있어서, 측정된 이온 질량 및 에너지에 응답하여 플라즈마 이온 주입 장치의 작동 상태를 결정하기 위한 분석 유닛과, 결정된 작동 상태에 응답하여 플라즈마 이온 주입 장치의 파라미터를 제어하기 위한 제어기를 더 포함하는 플라즈마 이온 주입 장치.
  12. 제1항에 있어서, 플라즈마 모니터는 이온 질량에 대한 측정을 스캐닝하도록 구성되는 플라즈마 이온 주입 장치.
  13. 제1항에 있어서, 플라즈마 모니터는 이온 에너지에 대한 측정을 스캐닝하도록 구성되는 플라즈마 이온 주입 장치.
  14. 제1항에 있어서, 플라즈마 모니터는 입구 오리피스를 통해 처리 챔버와 연통하는 플라즈마 이온 주입 장치.
  15. 제1항에 있어서, 플라즈마 모니터는 각각의 상기 펄스 중에 소정의 시간 간격 내에서 이온 질량 및 에너지를 측정하도록 구성되는 플라즈마 이온 주입 장치.
  16. 제1항에 있어서, 플라즈마 모니터는 각각의 상기 펄스 후에 소정의 시간 간격 내에서 이온 질량 및 에너지를 측정하도록 구성되는 플라즈마 이온 주입 장치.
  17. 제1항에 있어서, 플라즈마 모니터는 상기 처리 챔버 내의 이온 질량의 분포를 측정하는 플라즈마 이온 주입 장치.
  18. 제1항에 있어서, 플라즈마 모니터는 상기 처리 챔버 내의 이온 에너지의 분포를 측정하는 플라즈마 이온 주입 장치.
  19. 플라즈마 이온 주입 장치이며,
    처리 챔버와,
    기판을 지지하기 위해 상기 처리 챔버 내에 위치된 플래튼과,
    상기 처리 챔버 내에서 상기 플래튼으로부터 이격된 양극과,
    상기 처리 챔버에 결합된 처리 기체 공급원과,
    플라즈마로부터 기판 내로 이온을 가속하기 위해 상기 플래튼과 상기 양극 사이에 주입 펄스를 인가하기 위한 펄스 공급원과,
    상기 주입 펄스의 파형들의 샘플을 획득하도록 구성된 데이터 획득 유닛과,
    획득된 파형에 응답하여 플라즈마 이온 주입 장치의 작동 상태를 결정하기 위한 분석 유닛과,
    결정된 작동 상태에 응답하여 플라즈마 이온 주입 장치의 파라미터를 제어하기 위한 제어기를 포함하고,
    처리 기체의 이온을 함유하는 플라즈마가 상기 양극과 상기 플래튼 사이의 플라즈마 방전 영역 내에서 생성되고,
    획득된 샘플은 플라즈마 이온 주입 장치의 작동 상태를 표시하는 플라즈마 이온 주입 장치.
  20. 제19항에 있어서, 데이터 획득 유닛은 각각의 상기 주입 펄스의 전압 파형 및 전류 파형 중 적어도 하나의 고속 샘플링을 수행하도록 구성되는 플라즈마 이온 주입 장치.
  21. 제19항에 있어서, 기판 내로 주입되는 이온 흐름을 나타내는 전기 신호를 제공하기 위한 용량 측정 장치를 더 포함하고,
    데이터 획득 유닛은 용량 측정 장치에 의해 생성된 전기 신호의 고속 샘플링을 수행하도록 구성되는 플라즈마 이온 주입 장치.
  22. 제19항에 있어서, 데이터 획득 유닛은 플라즈마 이온 주입 장치의 작동을 모니터링하도록 구성되는 플라즈마 이온 주입 장치.
  23. 삭제
  24. 제19항에 있어서, 데이터 획득 유닛은 각각의 상기 주입 펄스의 다중 샘플을 획득하도록 구성되는 플라즈마 이온 주입 장치.
  25. 제19항에 있어서, 데이터 획득 유닛은 각각의 상기 주입 펄스의 상승 시간을 표시하는 샘플을 획득하도록 구성되는 플라즈마 이온 주입 장치.
  26. 제19항에 있어서, 데이터 획득 유닛은 각각의 상기 주입 유닛의 하강 시간을 표시하는 샘플을 획득하도록 구성되는 플라즈마 이온 주입 장치.
  27. 제19항에 있어서, 데이터 획득 유닛은 각각의 상기 주입 펄스의 오버슈트를 표시하는 샘플을 획득하도록 구성되는 플라즈마 이온 주입 장치.
  28. 제19항에 있어서, 데이터 획득 유닛은 각각의 상기 주입 펄스의 진폭을 표시하는 샘플을 획득하도록 구성되는 플라즈마 이온 주입 장치.
  29. 제19항에 있어서, 데이터 획득 유닛은 상기 주입 펄스의 변동을 표시하는 샘플을 획득하도록 구성되는 플라즈마 이온 주입 장치.
  30. 제19항에 있어서, 데이터 획득 유닛은 획득 시간 간격 중에 상기 주입 펄스의 샘플을 획득하도록 구성되는 플라즈마 이온 주입 장치.
  31. 기판의 플라즈마 이온 주입을 위한 방법이며,
    처리 챔버와, 처리 챔버 내에 플라즈마를 생성하기 위한 공급원과, 처리 챔버 내에서 기판을 유지하기 위한 플래튼과, 플라즈마로부터 기판 내로 이온을 가속하기 위해 주입 펄스를 발생시키기 위한 펄스 공급원을 포함하는 플라즈마 이온 주입 시스템을 제공하는 단계와,
    상기 처리 챔버 내의 이온 질량 및 에너지의 측정을 획득하는 단계와,
    이온 질량 및 에너지의 획득된 측정에 기초하여 플라즈마 이온 주입 시스템의 작동 상태를 결정하는 단계를 포함하며,
    상기 이온 질량 및 에너지의 측정을 획득하는 단계는 상기 처리 챔버 내에서 이온 질량 및 에너지를 측정하도록 구성된 플라즈마 모니터의 입구를 플래튼의 기판 지지 표면에 인접한 보호 링에 위치시키는 단계와, 플라즈마 모니터를 이용하여 플라즈마로부터 기판을 향해 가속되는 이온을 획득하는 단계를 포함하는 기판의 플라즈마 이온 주입 방법.
  32. 제31항에 있어서, 이온 질량 및 에너지의 측정을 획득하는 단계는 상기 처리 챔버 내에서 플라즈마 방전 영역 내의 이온의 측정을 획득하는 단계를 포함하는 기판의 플라즈마 이온 주입 방법.
  33. 삭제
  34. 제31항에 있어서, 이온 질량 및 에너지의 측정을 획득하는 단계는 상기 주입 펄스에 대해 선택된 시간 간격 중에 이온 질량 및 에너지의 측정을 획득하는 단계를 포함하는 기판의 플라즈마 이온 주입 방법.
  35. 제31항에 있어서, 결정된 작동 상태에 응답하여 플라즈마 이온 주입 시스템의 파라미터를 제어하는 단계를 더 포함하는 기판의 플라즈마 이온 주입 방법.
  36. 기판의 플라즈마 이온 주입을 위한 방법이며,
    처리 챔버와, 처리 챔버 내에 플라즈마를 생성하기 위한 공급원과, 처리 챔버 내에서 기판을 유지하기 위한 플래튼과, 플라즈마로부터 기판 내로 이온을 가속하기 위해 주입 펄스를 발생시키기 위한 펄스 공급원을 포함하는 플라즈마 이온 주입 시스템을 제공하는 단계와,
    상기 주입 펄스의 파형의 샘플을 획득하는 단계와,
    상기 주입 펄스의 획득된 파형의 샘플에 기초하여 플라즈마 이온 주입 시스템의 작동 상태를 결정하는 단계와,
    결정된 작동 상태에 응답하여 플라즈마 이온 주입 시스템의 파라미터를 제어하는 단계를 포함하는 기판의 플라즈마 이온 주입 방법.
  37. 제36항에 있어서, 상기 주입 펄스의 샘플을 획득하는 단계는 각각의 상기 주입 펄스의 전압 파형 및 전류 파형 중 적어도 하나의 고속 샘플링을 수행하는 단계를 포함하는 기판의 플라즈마 이온 주입 방법.
  38. 삭제
  39. 제36항에 있어서, 상기 주입 펄스의 샘플을 획득하는 단계는 획득 시간 간격 중에 샘플을 획득하는 단계를 포함하는 기판의 플라즈마 이온 주입 방법.
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