KR101123788B1 - 플라즈마 도핑 방법 - Google Patents

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Abstract

도즈량을 정밀하게 제어할 수 있는 플라즈마 도핑 방법을 실현한다. 도즈량의 면내 균일성의 향상을 도모한다. B2H6/He 플라즈마를 실리콘 기판에 조사하고 바이어스를 가하면 붕소의 도즈량이 거의 일정해지는 시간이 있고, 또한 그 포화되는 시간이 장치 제어의 반복성을 확보할 수 있는 시간과 비교하여 비교적 길게 안정적으로 사용하기 쉬운 것을 발견하고, 그 결과에 착안하여 이루어진 것이다. 즉, 플라즈마 조사를 개시하면 처음에는 도즈량이 증가하나, 그 후 시간의 변화와 상관없이 도즈량은 거의 일정해지는 시간이 이어지고, 시간을 더욱 증가시키면 도즈량은 감소한다. 시간의 변화에 의존하지 않고 도즈량이 거의 일정해지는 시간을 공정 윈도우(process window)로 함으로써 도즈량을 정확하게 제어할 수 있다.

Description

플라즈마 도핑 방법{Plasma doping method}
본 발명은 플라즈마 도핑 방법에 관한 것으로, 특히 불순물을 반도체 기판 등의 고체 시료의 표면에 도입하는 플라즈마 도핑 방법에 관한 것이다.
불순물을 고체 시료의 표면에 도입하는 기술로서는, 불순물을 이온화하여 저(低) 에너지로 고체 중에 도입하는 플라즈마 도핑(PD)법이 알려져 있다(예를 들면, 미국 특허 제4912065호 명세서 참조).
한편, 불순물을 도입하는 방법으로서 현재 가장 널리 이용되고 있는 방법은 이온 주입법이다. 플라즈마 도핑법은, "International Technology Roadmap for Semiconductors 2001 Edition(ITRS2001)의 FrontEnd Process의 Figure 30의 Shallow Junction Ion Doping" 란에 기재되고, 이어서 "International Technology Roadmap for Semiconductors 2003 Edition(ITRS2003)"에서도 이온 주입의 차세대 불순물 도입 기술로서 기재되고, 이온 주입법과는 다른 불순물 도입 기술이다. 또한 ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors)는 반도체 업계에서는 광범위의 기술자에게 참조되고 있는 문헌이다. 이하, 이온 주입과 플라즈마 도핑의 기술적 상이점을 조금 상세하게 설명한다.
이온 주입법에서는, 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 이온원(源)과, 이온 원으로부터 인출한 이온으로부터 소망하는 이온만을 선별하기 위하여 질량 분리하는 분석 자석과, 소망하는 이온을 가속하는 전극과, 가속한 소망하는 이온을 실리콘 기판에 주입하는 공정 챔버를 가지는 장치 구성이 이용된다. 이온 주입에 있어서 불순물을 얕게 주입하기 위해서는, 이온원으로부터 이온을 인출하는 에너지와 가속 에너지를 작게 하면 된다. 그러나 인출 에너지를 작게 하면, 인출되는 이온의 수가 감소되어 버린다. 또한 가속 에너지가 작아지면, 이온빔을 이온원으로부터 웨이퍼로 수송하는 사이에 이온끼리의 전하에 의한 반발력으로 빔 직경이 넓어져 버려 빔 라인 내벽에 충돌하는 등, 다수의 이온이 소실되어 버린다. 그 때문에, 주입 처리의 작업 처리량(throughput)이 저하되어 버린다. 예를 들면 B+ 이온을 주입하는 경우에는, 가속 에너지가 2keV 이하가 되면 작업 처리량이 저하되기 시작하여, 0.5KeV 이하가 되면 빔의 수송 자체가 곤란해진다. 그러나 0.5KeV까지 저 에너지화해도 20nm 정도의 깊이까지 B가 주입되어 버린다. 즉, 이것보다도 얇은 연장(extension) 전극을 만들고 싶은 경우에는 생산성이 극단적으로 저하되어 버린다는 과제가 있다.
이에 대하여 플라즈마 도핑법에서는, 실리콘 기판을 내부에 배치할 수 있는 원기둥 형상의 진공 용기에 플라즈마를 유기하는 플라즈마 발생원과, 실리콘 기판을 배치하는 바이어스 전극과, 바이어스 전극의 전위를 조정하는 바이어스 전원을 가지는 장치 구성이 이용된다. 분석 자석도 가속 전극도 가지지 않는, 이온 주입과 전혀 다른 장치 구성이다. 진공 용기에 플라즈마원과 웨이퍼 홀더를 겸한 바이어스 전극을 설치하고, 플라즈마와 웨이퍼 사이에 발생하는 전위(potential)로 이온을 가속하여 도입한다. 이에 따라 저 에너지의 플라즈마를 직접 사용할 수 있으므로, 이온 주입과 비교하여 대량의 저 에너지 이온을 웨이퍼에 조사할 수 있다. 즉, 도즈 비율이 매우 크다는 특징이 있다. 이 특징에 의해 저 에너지의 B 주입에서도 높은 작업 처리량을 유지할 수 있다.
또한 본 발명자들은, 플라즈마 도핑법을 응용하여 극히 얕고 저 저항인 소스?드레인 작업 처리량 전극을 형성하는 공정 기술을 개발했다. 이 신규 공정 기술은, 2004년 6월에 반도체 분야에서 가장 권위 있는 국제 학회의 하나인 VLSI 심포지움(Symposium)에 논문이 채택되어, 신규하고 특단의 효과가 있는 공정 기술로서 인지되어 있다(Y.Sasaki,et al.,Symp.on VLSI Tech.p180(2004))
이 방법에서는, 가스 도입구로부터 도입된 도핑 원료 가스, 예를 들면 B2H6를 마이크로파 도파관 및 전자석으로 이루어지는 플라즈마 발생 수단에 의해 플라즈마화하고, 플라즈마 중의 붕소 이온을 고주파 전원에 의해 시료의 표면에 공급하는 방법이 취해진다.
반도체 장치의 소형화, 고집적화에 수반하여, 불순물 도입 영역에서의 특성은 극히 중요하다. 그 중에서도 도즈량(불순물 도입량)은, 소자 특성을 결정하는 중요한 요소의 하나인 비저항을 결정하므로, 도즈량의 제어는 극히 중요한 포인트이다.
그러나 플라즈마 도핑법을 이용하면, 극히 얕고 저 저항인 소스?드레인 작업 처리량 전극을 형성할 수 있는 것은 알았음에도 불구하고, 그 특성을 제어하는 도즈량의 제어 방법은 개발되지 않았었다. 지금까지는 플라즈마 도핑하는 시간을 변화시킴으로써 도즈량을 변화시키는 방법이 채택되고 있었으나, 이것으로는 제어의 정밀도가 불충분하여 실용적이지 않았다.
이와 같은 상황 중에 본 발명자들은 인체에 대해 극히 위험성이 높은 독성을 지닌 B2H6를 가능한한 희석하여 안전성을 높이고, 도핑 효율을 저하시키지 않고 안정적으로 플라즈마의 발생이나 유지를 행하면서 도펀트 주입량의 제어를 용이하게 행할 수 있는 방법으로서, 도핑하는 불순물을 포함하는 물질로서의 B2H6 가스를 전리 에너지가 작은 He 가스로 희석하여 He의 플라즈마를 앞서 발생시키고, 이러한 후에 B2H6을 방전시키도록 하는 방법을 제안했다(특개 2004-179592호 공보). 이 방법에 있어서, B2H6 가스의 농도가 0.05% 미만이 되도록 하는 것이 바람직하다는 제안도 있다.
그러나 0.05% 정도의 저 농도로 했을 때 도즈량을 제어하기 쉽다는 보고는 되어 있지만, 이것은 가스 농도를 일정하게 하면서 시간을 변화시켜 도즈량을 바꾸는 것이었다. B2H6 가스 농도를 저 농도로 하는 편이 시간 변화에 대한 붕소의 도즈량 변화가 작아지므로 도즈량을 제어하기 쉽다는 내용이었다. 도즈량의 제어 정밀도를 높이는 것은 진보한 것이었으나, 기본적으로는 플라즈마 도핑하는 시간을 변화시킴으로써 도즈량을 변화시키는 종래의 방법을 진보시킨 것이었다. 여기서, 도즈량의 변화와 가스 농도의 관계에 대한 고찰에 관해서는 전혀 이루어지지 않았다.
상술한 바와 같이, 불순물 도입 영역을 형성하는 데에 있어 도즈량의 제어는 극히 중요한 과제였다. 그리고 당연하게, 면내 균일성은 소자 형성에 있어 극히 중요한 과제이다. 특히, 최근 웨이퍼의 대 구경화가 계속 진행되어, 면내에서 균일한 도즈량을 얻으려고 하면 극히 곤란했다.
본 발명은 상기 실정을 감안하여 이루어진 것으로서, 고 정밀도로 도즈량을 제어할 수 있어 얕은 불순물 영역을 형성할 수 있는 플라즈마 도핑 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 도즈량의 면내 균일성이 높아, 고 정밀도로 도즈량을 제어할 수 있는 플라즈마 도핑 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그래서 본 발명의 플라즈마 도핑 방법은, 시료에 불순물을 포함하는 가스 플라즈마를 소정 시간, 소정 농도로 공급하여 상기 시료 표면에 불순물 도입층을 형성하는 방법으로서, 도즈량이 시간 의존성을 가지지 않고 일정하게 되도록, 도핑 시간과, 불순물을 포함하는 가스 플라즈마의 농도를 설정한 것을 특징으로 한다.
본 발명자들은 각종 실험을 거듭한 결과, 예를 들면 B2H6/He 플라즈마를 실리콘 기판에 조사하여 바이어스를 가하면, 붕소의 도즈량이 거의 일정해지는 시간이 있는 것을 발견했다. 또한 그 포화되는 시간이 장치 제어의 반복성을 확보할 수 있는 시간과 비교하여 비교적 길게 안정적으로 사용하기 쉬운 것을 알 수 있었다. 즉, 플라즈마 조사를 개시하면 처음에는 도즈량이 증가하나, 그 후 시간의 변화와 상관없이 도즈량은 거의 일정해지는 시간이 이어지고, 시간을 더욱 증가시키면 도즈량은 감소한다. 시간의 변화에 의존하지 않고 도즈량이 거의 일정해지는 시간을 공정 윈도우(process window)로 함으로써 도즈량을 정확하게 제어할 수 있다는 것을 발견했다. 본 발명은 이것에 착안하여 이루어진 것이다.
그래서 본 발명은, 기판에 불순물을 포함하는 가스의 플라즈마를 조사하고, 상기 기판의 표면에 불순물 영역을 형성하는 플라즈마 도핑 방법으로서, 상기 기판에 도입되는 상기 불순물의 도즈량이 플라즈마 도핑 시간의 변화와 관계없이 거의 일정해지는 플라즈마 도핑 시간 범위를 결정하는 공정과, 상기 플라즈마 도핑 시간 범위를 결정하는 공정 후에, 상기 플라즈마 도핑 시간 범위에 포함되는 소정의 플라즈마 도핑 시간을 이용하여, 상기 불순물을 상기 기판에 플라즈마 도핑하는 공정을 구비한 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 상기 플라즈마 도핑 방법에 있어서, 상기 플라즈마 도핑하는 공정 전에, 상기 불순물을 포함하는 가스의 농도와 상기 일정해지는 도즈량의 관계를 복수의 상기 농도에 대하여 구함으로써, 상기 플라즈마 도핑하는 공정에 이용하는 상기 불순물을 포함하는 가스의 농도를 결정하는 공정을 구비한 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 상기 플라즈마 도핑 방법에 있어서, 상기 플라즈마 도핑 시간 범위를 결정하는 공정은, 상기 기판에서의 면내의 복수의 장소에 있어서, 상기 기판에 도입되는 상기 불순물의 도즈량이 플라즈마 도핑 시간의 변화에 관계없이 거의 일정해지는 플라즈마 도핑 시간 범위를 각각 구하는 공정을 포함하고, 상기 각각의 플라즈마 도핑 시간 범위 내에서 가장 늦은 플라즈마 도핑 시간 범위에 맞춰 상기 소정의 플라즈마 도핑 시간을 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 상기 플라즈마 도핑 방법에 있어서, 상기 기판의 직경은 200mm 이상이고, 상기 기판의 면 내에서의 상기 불순물의 도즈량의 1σ로 표시되는 균일성이 2.5% 이하가 되도록, 상기 소정의 플라즈마 도핑 시간을 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 상기 플라즈마 도핑 방법에 있어서, 상기 기판의 직경은 300mm 이상인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 상기 플라즈마 도핑 방법에 있어서, 상기 불순물을 포함하는 가스의 플라즈마는, 붕소 원자와 수소 원자로 이루어지는 분자(BnHm)와 He의 혼합 가스 플라즈마로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 상기 플라즈마 도핑 방법에 있어서, 상기 불순물을 포함하는 가스의 플라즈마는, B2H6와 He의 혼합 가스 플라즈마로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 상기 플라즈마 도핑 방법에 있어서, 상기 B2H6와 He의 혼합 가스 플라즈마 중의 B2H6 가스 농도는 0.01% 이상, 또한 1% 이하인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 상기 플라즈마 도핑 방법에 있어서, 상기 B2H6와 He의 혼합 가스 플라즈마 중의 B2H6 가스 농도는 0.025% 이상, 또한 0.6% 이하인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 상기 플라즈마 도핑 방법에 있어서, 상기 불순물을 포함하는 가스의 플라즈마는, BF3와 He의 혼합 가스 플라즈마로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 상기 플라즈마 도핑 방법에 있어서, 상기 기판은 실리콘 기판인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 상기 플라즈마 도핑 방법에 있어서, 상기 플라즈마 도핑하는 공정은, 상기 불순물을 포함하는 가스를 제1 농도로 설정하여 플라즈마 도핑하는 제1 도핑 공정과, 상기 제1 도핑 공정 후에, 상기 불순물을 포함하는 가스를 상기 제1 농도보다도 낮은 제2 농도로 설정하여 플라즈마 도핑하는 제2 도핑 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 이하의 방법도 있다. 시료에 불순물 이온을 포함하는 가스 플라즈마를 소정 시간, 소정 농도로 공급하여 상기 시료 표면에 불순물 도입층을 형성하는 방법으로서, 도즈량이 시간 의존성을 가지지 않고 일정해지도록, 도핑 시간과, 불순물을 포함하는 가스 플라즈마의 농도를 설정하여, 도즈량이 시간 의존성을 가지지 않고 일정해지는 시간 범위로 플라즈마 도핑을 행하도록 한 것을 특징으로 한다.
이 구성에 따르면, 불순물 이온을 포함하는 가스 플라즈마의 농도가, 시간 의존성을 가지지 않고 도즈량이 일정해지는 시간 범위로 설정되어 있으므로, 도즈량을 정확하게 제어할 수 있다. 즉, 시간이 조금 벗어났다고 해도 도즈량이 거의 바뀌지 않으므로, 안정적으로 도즈량을 제어할 수 있다. 이에 대하여, 시간으로 도즈량을 제어하는 종래의 방법의 경우에는, 시간이 조금 벗어나는 것만으로 도즈량이 대폭 변화되어 버린다.
또한 실험을 거듭한 결과, 어떤 소정의 바이어스에 대하여 B2H6/He 농도를 변화시킴으로써, 도즈량이 거의 변화하지 않는 포화되는 시간대를 얻을 수 있었다. 또한 그 시간대 중에서도 어닐링 후의 표면 저항(Rs)의 면내 균일성, 즉 도즈량의 면내 균일성이 극히 양호해지는 시간대가 있는 것을 발견하고, 이 결과에 기초하여 이루어진 것이다. 이에 따라 플라즈마 도핑을 실용화하는 데 있어 가장 큰 과제였던 도즈량의 제어와 면내 균일성의 과제를 한번에 해결할 수 있다.
또한 본 발명의 플라즈마 도핑 방법은, 불순물의 기판 표면으로의 도핑과, 기판 표면으로부터의 스퍼터링이 포화 상태가 되도록 도핑 시간과, 불순물을 포함하는 가스 플라즈마의 농도를 설정하도록 한 것을 포함한다.
본 발명자들은 각종 실험을 거듭한 결과, 예를 들어 B2H6/He 플라즈마를 실리콘 기판에 조사하고 바이어스를 가하면, 붕소의 도핑과, 플라즈마에 포함되는 이온, 라디칼, 가스의 조사에 의한 기판 표면으로부터의 붕소의 스퍼터링이 포화되는(균형이 잡히는) 시간이 있는 것을 발견했다. 또한 그 포화되는 시간이 장치 제어의 반복성을 확보할 수 있는 시간과 비교하여, 비교적 길게 안정적으로 사용하기 쉬운 것을 알 수 있었다.
또한 본 발명의 플라즈마 도핑 방법은, 도핑 시간이, 기판 면내의 도즈량이 적은 부분의 도즈량이, 도즈량이 포화된 부분의 도즈량의 수준에 도달하는 정도로 설정되어 있는 것을 포함한다.
이 구성에 따르면, 불순물 이온을 포함하는 가스 플라즈마의 농도가, 시간 의존성을 가지지 않고 도즈량이 일정해지는 시간 범위로 설정되어 있고, 또한 도핑 시간이, 기판 면내의 도즈량이 적은 부분의 도즈량이, 도즈량이 포화된 부분의 도즈량의 수준에 도달하는 정도로 설정되어 있으므로, 면내 균일성을 높이기 위하여 도즈량을 정확히 제어할 수 있다. 실제로는, 면내의 각 포인트에서 포화되는 시간대를 측정하여, 도핑 종료점을 그 시간대의 개시점 중 가장 늦은 시간으로 설정하도록 하고 있다. 이에 따라, 기판 면내의 도즈량이 적은 부분의 도즈량은, 도즈량이 포화된 부분의 도즈량의 수준에 도달함으로써, 양호한 면내 균일성을 얻을 수 있다.
또한 본 발명의 플라즈마 도핑 방법은, 상기 불순물 이온을 포함하는 가스 플라즈마의 농도를 변화시킴으로써, 시간 의존성을 가지지 않고 일정해지는 도즈량의 수준을 변화시키는 것을 포함한다.
이 구성에 의해, 상기 불순물 이온의 상기 기판 표면으로의 도핑과 상기 기판 표면으로부터의 스퍼터링이 포화 상태가 되도록 가스 플라즈마의 농도를 설정함으로써, 일정해지는 도즈량의 수준을 변화시킬 수 있으므로, 안정적이고 고 정밀도로 불순물 농도가 제어된 불순물 영역을 형성할 수 있다.
또한 본 발명의 플라즈마 도핑 방법은, 불순물 원자를 포함하는 가스의 농도, 압력, 소스 파워를 변화시킴으로써 상기 불순물 이온을 포함하는 가스 플라즈마의 농도를 변화시키는 것을 포함한다.
이 구성에 의해, 가스 플라즈마의 농도를 소망하는 범위로 설정할 수 있다.
특히, 불순물 원자를 포함하는 가스의 농도를 바꿈으로써 상기 불순물 이온을 포함하는 가스 플라즈마의 농도를 간단하고 정확하게 바꿀 수 있다는 이점이 있다. 구체적인 수단은, 불순물 원자를 포함하는 가스와 희석 가스를 혼합하여 이용하도록 해두고, 매스플로우 컨트롤러를 이용하여 각각의 가스의 유량을 바꿔 각각의 가스의 혼합비를 바꿈으로써, 상기 불순물 이온을 포함하는 가스 플라즈마의 농도를 간단하고 정확하게 바꿀 수 있다.
또한 본 발명의 플라즈마 도핑 방법은, 상기 가스 플라즈마 중의 이온과 라디칼과 가스의 농도가, 상기 불순물 이온의 상기 기판 표면으로의 도핑과 상기 기판 표면으로부터의 스퍼터링이 시간의 증가에 대하여 포화 상태가 되도록, 상기 가스 플라즈마의 농도가 설정되는 것을 포함한다.
이 구성에 의해, 상기 불순물 이온의 상기 기판 표면으로의 도핑과 상기 기판 표면으로부터의 스퍼터링이 포화 상태가 되도록 가스 플라즈마의 농도를 설정함에 따라, 시간 변화와 관계없이 도즈량을 정확하게 제어할 수 있으므로, 안정적이고 고정밀도로 불순물 농도가 제어된 불순물 영역을 형성할 수 있다.
또한 본 발명의 플라즈마 도핑 방법은, 상기 불순물 이온을 포함하는 가스 플라즈마가, 붕소 원자와 수소 원자로 이루어지는 분자(BnHm)와 He의 혼합 가스 플라즈마인 것을 포함한다.
각종 실험을 거듭한 결과, BnHm 가스 농도를 작게 해 갔을 때, 시간의 변화와 관계없이 도즈량이 거의 일정해지는 영역이 존재하는 것을 발견했다. 붕소의 기판 표면으로의 도핑과 기판 표면으로부터의 스퍼터링이 포화 상태가 되도록 BnHm 가스 농도를 설정함으로써, 시간 변화와 관계없이 도즈량을 정확히 제어할 수 있으므로, 안정적이고 고 정밀도로 불순물의 도즈량이 제어된 불순물 영역을 형성할 수 있다.
또한 본 발명의 플라즈마 도핑 방법은, 상기 불순물 이온을 포함하는 가스 플라즈마가 B2H6와 He의 혼합 가스 플라즈마인 것을 포함한다.
각종 실험의 결과, B2H6와 He의 혼합 가스 플라즈마를 이용한 경우에, B2H6 가스 농도를 작게 해 갔을 때, 시간의 변화와 관계없이 도즈량이 거의 일정해지는 영역이 존재하는 것을 발견하고, 이 사실에 착안하여 이루어진 것이다. 붕소의 기판 표면으로의 도핑과 기판 표면으로부터의 스퍼터링이 포화 상태가 되도록 B2H6 가스의 농도를 설정함으로써, 시간 변화와 관계없이 도즈량을 정확하게 제어할 수 있으므로, 안정적이고 고 정밀도로 불순물 농도가 제어된 불순물 영역을 형성할 수 있다.
또한 본 발명의 플라즈마 도핑 방법은, 상기 B2H6와 He의 혼합 가스 플라즈마의 B2H6 가스 농도가 0.01% 이상, 1% 이하인 것을 포함한다. 0.01% 이하에서는, B2H6 가스 농도를 변화시켰을 때, 시간 변화에 대하여 포화되는 붕소의 도즈량의 변화가 너무 작다. 이에 따라, 시간 변화에 대하여 포화되는 붕소의 도즈량을 B2H6 가스 농도의 변화로 제어하는 것이 곤란하다. 또한 1% 이상에서는 B2H6 가스 농도를 변화시켰을 때, 시간 변화에 대하여 포화되는 붕소의 도즈량의 변화가 너무 크다. 이에 따라, 이 경우에도 제어성이 떨어진다. 같은 이유에서, B2H6 가스 농도는 더욱 바람직하게는 0.025% 이상, 0.6% 이하이다.
실험 결과로부터, B2H6와 He의 혼합 가스 플라즈마의 B2H6 가스 농도를 0.1% 정도로 했을 때, 시간 변화에 의존하지 않고 도즈량이 거의 일정해지는 영역이 존재하는 것을 발견했다.
또한 본 발명의 플라즈마 도핑 방법은, 바이어스 전압 VDC가 60V 이하인 것을 포함한다.
실험 결과로부터, 바이어스 전압 VDC가 60V 이하일 때, 시간 변화에 의존하지 않고 도즈량이 거의 일정해지는 영역이 존재하는 것을 발견했다.
또한 본 발명의 플라즈마 도핑 방법은, 소스 파워가 1500W 정도인 것을 포함한다.
실험 결과로부터, 소스 파워가 1500W 정도일 때, 시간 변화에 의존하지 않고 도즈량이 거의 일정해지는 영역이 존재하는 것을 발견했다.
또한 본 발명의 플라즈마 도핑 방법은, 상기 불순물 이온을 포함하는 가스 플라즈마는 BF3와 He의 혼합 가스 플라즈마인 것을 포함한다.
실험 결과로부터, B2H6와 He의 혼합 가스 플라즈마를 이용한 경우뿐만 아니라, BF3와 He의 혼합 가스 플라즈마를 이용한 경우에도 동일하게, 실험 결과, BF3 가스 농도를 작게 해 갔을 때, 시간의 변화와 관계없이 도즈량이 거의 일정해지는 영역이 존재한다. 따라서 안정적이고 고 정밀도로 불순물의 도즈량이 제어된 불순물 영역을 형성할 수 있다.
또한 본 발명의 플라즈마 도핑 방법은, 상기 시료가 실리콘 기판인 것을 포함한다.
각종 실험의 결과, 실리콘 기판으로의 도핑시 B2H6와 He의 혼합 가스 플라즈마를 이용한 경우에, B2H6 가스 농도를 작게 해 갔을 때, 시간 변화에 의존하지 않고 도즈량이 거의 일정해지는 영역이 존재하는 것을 발견했다. 또한 BmHn과 He의 혼합 가스 플라즈마를 이용한 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있었다.
이와 같이, 본 발명은, 붕소의 기판 표면으로의 도핑과 기판 표면으로부터의 스퍼터링이 포화 상태가 되도록, 도핑 시간과 붕소를 포함하는 가스 플라즈마의 농도를 설정한 것이 본질적인 연구이다.
또한 본 발명은, 도즈량이 시간 의존성을 가지지 않고 일정해지는 시간 영역에서 플라즈마 도핑을 행함으로써, 안정적이고 고 정밀도로 불순물의 도즈량이 제어된 불순물 영역을 형성할 수 있다.
이 구성에 따라, 시간의 변화에 의존하지 않고 도즈량이 일정해지는 시간을 공정 윈도우로 함으로써 도즈량을 정확하게 제어할 수 있다.
또한 더욱 바람직하게는, 상기 활성화하는 공정으로서는, 레이저 광을 조사하는 공정을 포함한다.
레이저 광은 광의 에너지 밀도가 높으므로, 고효율의 활성화가 가능해진다.
또한 상기 활성화하는 공정으로서는, 후레쉬 램프의 방사광을 조사하는 공정을 포함하도록 해도 무방하다.
후레쉬 램프는 저가이므로, 저 비용화가 가능해진다.
또한 상기 활성화하는 공정으로서는, 텅스텐 할로겐 램프의 방사광을 조사하는 공정을 포함하도록 해도 무방하다.
텅스텐 할로겐 램프를 이용한 열 처리는, 이미 실용화되어 있어, 고 신뢰성으로 활성화할 수 있다.
또한 상기 플라즈마 도핑에 있어서, 플라즈마가 접하고 있는 반응 용기의 내벽의 온도를 거의 일정하게 한 상태에서 플라즈마 도핑을 행하도록 하고 있다.
또한 상기 플라즈마 도핑에 있어서, 플라즈마가 접하고 있는 반응 용기의 내벽을 가열한 상태에서 플라즈마 도핑을 행한다.
또한 상기 플라즈마 도핑에 있어서, 플라즈마가 접하고 있는 반응 용기의 내벽을 냉각한 상태에서 플라즈마 도핑을 행한다.
또한 상기 플라즈마 도핑에 있어서, 불순물 원소를 포함하는 가스의 농도를, 처리 도중에 저하시키도록 한 것을 포함한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에서 이용되는 불순물 도입 장치의 단면도.
도 2는 본 발명의 제2 실시 형태에서 이용되는 불순물 도입 장치의 단면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예의 방법에서의 도즈량과 도핑 시간의 관계를 나타내는 도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예의 방법에서의 도즈량과 가스 농도의 관계를 나 타내는 도.
도 5는 본 발명의 제1 실시예의 방법에서 얻어진 샘플의 Rs 분포를 나타내는 도.
도 6은 본 발명의 제1 실시예의 방법에서 얻어진 샘플의 Rs 분포를 나타내는 도.
도 7은 본 발명의 제2 실시예의 방법에서의 도즈량과 도핑 시간의 관계를 나타내는 도.
도 8은 본 발명의 제2 실시예의 방법에서의 도즈량의 면내 균일성을 나타내는 비교도.
도 9는 본 발명의 제2 실시예의 방법에서의 Y축 상의 표면 저항 분포를 나타내는 도.
도 10은 본 발명의 제2 실시예의 방법에서의 Y축 상의 표면 저항 규격치의 분포를 나타내는 도.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
1 고주파 전원
2 매칭 박스
3 코일
4 매스플로우 컨트롤러
5 매스플로우 컨트롤러
6 터보 분자 펌프
7 조압(調壓) 밸브
8 드라이 펌프
9 냉각수 공급 유닛
10 VDC 모니터
11 매칭 박스
12 고주파 전원
13 시료(피처리 기판)
14 하부 전극
15 반응 용기
21 고주파 전원
23 코일
24 매스플로우 컨트롤러
25 매스플로우 컨트롤러
33 시료
34 시료대
35 반응 용기
이하 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
(제1 실시 형태)
이하 본 발명의 제1 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 장치를 플라즈마 도핑 장치 A(PD 장치-A)로 한다.
본 실시 형태에서는, 불순물의 도입시에, 도입해야 하는 불순물 이온을 포함하는 가스 플라즈마의 농도가, 상기 불순물 이온의 도핑과 실리콘 기판(실리콘 웨이퍼) 표면의 스퍼터링이 포화 상태가 되도록 설정한다. 이에 따라, 시간 변화와 관계없이 도즈량을 정확하게 제어할 수 있어, 안정적이고 고정밀도로 불순물 농도가 제어된 불순물 영역을 형성할 수 있다. 또한 면내 균일성이 우수한 불순물 영역을 형성할 수 있다.
여기서는, 상기 불순물 이온의 도핑과 기판 표면의 스퍼터링이 포화 상태가 되도록 가스 플라즈마의 농도를 설정한다. 이에 따라, 시간 변화와 관계없이 도즈량을 정확하게 제어할 수 있으므로, 안정적이고 고정밀도로 불순물의 도즈량이 제어된 불순물 영역을 형성할 수 있다.
이것은 이하와 같이도 표현할 수 있다. 상기 불순물 이온의 도핑과 기판 표면의 스퍼터링이 포화 상태가 되어, 도즈량이 시간 변화와 관계없이 일정해지는 시간 범위에서 플라즈마 도핑을 행함으로써, 안정적이고 고정밀도로 불순물의 도즈량이 제어된 불순물 영역을 형성할 수 있다.
또한 면내 균일성을 얻기 위해서는, 면내의 각 포인트에서 포화되는 시간대를 측정하고, 도핑 종료점을 그 시간대의 개시점 중 가장 늦은 시간으로 설정한다. 이에 따라, 기판 면내의 도즈량이 적은 부분의 도즈량은, 도즈량의 포화된 부분의 도즈량의 수준에 도달함에 따라, 면내 균일성을 얻을 수 있다.
도 1에 본 발명의 제1 실시 형태에서 이용되는 불순물 도입 장치의 단면도를 나타낸다.
이 불순물 도입 장치, 즉 공정 챔버는, 반응 용기(15)와, 반응 용기(15) 내를 배기하는 배기 장치로서의 터보 분자 펌프(6)와, 반응 용기(15) 내의 압력을 제어하는 압력 제어 장치로서의 조압 밸브(7)와, 하부 전극(14)에 대향한 유전체 윈도우의 근방에 설치된 플라즈마원(源)으로서의 코일 및 안테나(3)와, 이 코일 또는 안테나(3)에 13.56MHz의 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원(12)과, 하부 전극(14)에 전압을 공급하는 전압원으로서의 고주파 전원(1)으로 구성되어 있고, 시료대를 겸하는 하부 전극(14) 상에 피처리 기판(기판;13)을 설치하여 플라즈마 조사를 행하는 것이다.
여기서는, 플라즈마를 발생시키기 위한 고주파 전원(1)과 방전의 조정을 행하는 매칭 박스(2)를 통해, 코일 및 안테나(3)로부터 고주파가 공급된다. 필요한 가스는 매스플로우 컨트롤러 MFC(4, 5)를 통해 공급된다. 반응 용기(15) 내의 진공도는 상기 매스플로우 컨트롤러(4, 5), 터보 분자 펌프(6), 조압 밸브(7), 드라이 펌프(8)에 의해 제어된다. 반응 용기(15)에 대해서는, 고주파 전원(12)으로부터 매칭 박스(11)를 통해 전력이 공급된다. 반응 용기(15) 내에 설치한 피처리 기판(13)은 시료대(14)에 놓여져 상기 전력이 공급된다.
다음으로 플라즈마 도핑 공정에 대하여 설명한다.
이 공정 챔버의 반응 용기(15) 내에 가스 공급 장치로부터 매스플로우 컨트롤러(4, 5)를 통해 소정의 가스를 도입하면서, 배기 장치로서의 터보 분자 펌프(8) 에 의해 배기를 행하고, 압력 제어 장치로서의 조압 밸브(9)에 의해 반응 용기(15) 내를 소정의 압력으로 유지한다. 그리고 고주파 전원(1)에 의해 플라즈마원으로서의 코일(3)에 13.56MHz의 고주파 전력을 공급함으로써, 반응 용기(15) 내에 유도 결합형 플라즈마를 발생시킨다. 이 상태에서 하부 전극(14) 상에, 시료로서의 실리콘 기판(13)을 올려 놓는다. 또한, 하부 전극(14)에는 고주파 전원(12)에 의해 고주파 전력이 공급되어 있고, 시료로서의 실리콘 기판(피처리 기판;13)이 플라즈마에 대하여 음(負)의 전위를 가지도록, 하부 전극(14)의 전위를 제어할 수 있도록 되어 있다.
또한 여기서는 코일을 이용하여 유도 결합형 플라즈마를 발생시키는 경우를 나타냈으나, 코일을 대신하여 안테나를 이용해도 무방하고, 헬리콘파 플라즈마, 표면파 플라즈마, 전자 사이클로트론 공명 플라즈마 등을 발생시켜도 무방하다.
실리콘 기판(13)을 하부 전극으로서의 시료대(14)에 올려놓은 후, 반응 용기(15) 내를 배기하면서, 매스플로우 컨트롤러(4)에 의해 반응 용기(15) 내에 헬륨 가스를, 또한 매스플로우 컨트롤러(5)에 의해 반응 용기(15) 내에 도핑 원료 가스로서의 디보란(B2H6) 가스를 공급하고, 조압 밸브(9)를 제어하여 반응 용기(15) 내의 압력을 0.9Pa로 유지한다. 다음으로, 플라즈마원으로서의 코일(3)에 고주파 전력을 1500W 공급함에 따라 반응 용기(15) 내에 플라즈마를 발생시킴과 함께, 하부 전극(14)에 200W의 고주파 전력을 공급함에 따라 붕소를 실리콘 기판(13)의 표면 근방으로 주입할 수 있다. 여기서 실리콘 기판(13)에 노출되어 있는 플라즈마는, B2H6와 He의 혼합 가스 플라즈마(B2H6/He 플라즈마)이다. 또한 B2H6와 He의 혼합 비율은, 매스플로우 컨트롤러(4, 5)에 흐르게 하는 He 가스와 B2H6 가스의 유량의 비를 바꿈으로써 변화시킬 수 있다.
B2H6와 He의 혼합 가스 플라즈마(B2H6/He 플라즈마)를 실리콘 기판에 조사하고 바이어스를 가하면, 붕소의 도핑과 스퍼터링이 포화되는(균형이 잡히는) 시간이 있음을 알았다. 또한 본 실시예에서는, 그 포화되는 시간이 비교적 길게 안정적으로 사용하기 쉬운 것을 알았다. 즉 플라즈마 조사를 개시하면, 처음에는 도즈량이 증가하나, 그 후 시간의 변화와 관계없이 도즈량이 거의 일정해지는 시간이 이어지고, 더 시간을 증가시키면 도즈량은 감소한다. 시간의 변화와 관계없이 도즈량이 거의 일정해지는 시간을 공정 윈도우로 함으로써 도즈량을 정확히 제어할 수 있다. 또한 이 실리콘 기판 면내에서 도즈량이 일정해지는 시간을 미리 측정하고, 가장 늦은 것의 개시 시간에 맞춰 도핑 시간을 설정함으로써 면내 균일성도 얻을 수 있었다.
(제2 실시 형태)
이하, 본 발명의 제2 실시 형태에 대하여, 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2에 도시된 장치를 플라즈마 도핑 장치 B(PD 장치-B)로 한다.
도 2에, 본 발명의 제2 실시 형태에서 이용하는 불순물 도입 장치의 개략 평면도를 나타낸다. 도 2에 있어서, 불순물 도입 장치는 헬리콘(helicon) 플라즈마 장치를 이용한 것으로, 이 장치에서도 매스플로우 컨트롤러(24, 25)를 통해 B2H6/He 가스 및 He 가스가 공급되도록 되어 있다.
여기서도 반응 용기(35) 내의 시료대(34)에 올려놓은 실리콘 기판(시료;33)에 대하여 불순물을 도입하는 것으로, 고주파 전원(21)에 의해 코일(23)에 고주파가 공급되고, 매스플로우 컨트롤러(24, 25)를 통해 공급되는 B2H6/He 가스 및 He 가스가 플라즈마화 되도록 되어 있다.
그리고 이 장치에서도, 매스플로우 컨트롤러(24, 25)를 고정밀도로 제어함으로써 B2H6/He의 혼합비가 제어되고, 시간 의존성 없이 도즈량이 일정해지도록 가스 플라즈마 농도를 제어할 수 있도록 되어 있다.
<제1 실시예>
도 2에서 나타낸 제2 실시 형태에서 설명한 PD 장치-B를 이용하여, 200mm의 실리콘 기판에 대하여 붕소의 도즈량과 플라즈마 도핑 시간을 변화시켜 플라즈마 도핑을 행했다.
도 3에, 이때의 붕소의 도즈량과 플라즈마 도핑 시간의 관계를 측정한 결과를 나타낸다. 세로축은 도즈량, 가로축은 플라즈마 도핑 시간이다.
B2H6와 He의 혼합 가스 플라즈마(B2H6/He 플라즈마)를 실리콘 기판에 조사하고 바이어스를 가하면, 붕소의 도핑과 스퍼터링이 포화되는(균형이 잡히는) 시간이 있음을 알았다. 또한 본 실시예에서는, 그 포화되는 시간이 비교적 길게 안정적으로 사용하기 쉬운 것을 알았다. 즉 플라즈마 조사를 개시하면, 처음에는 도즈량이 증가하나, 그 후 시간의 변화와 관계없이 도즈량이 거의 일정해지는 시간이 이어지 고, 더 시간을 증가시키면 도즈량은 감소한다. 시간의 변화와 관계없이 도즈량이 거의 일정해지는 시간을 공정 윈도우로 함으로써 도즈량을 정확히 제어할 수 있다. 또한 면내 균일성도 얻을 수 있었다.
이 현상을 이용하면, 예를 들어 붕소의 도즈량을 1σ=1% 이내의 정밀도로 2.62E15cm-2로 설정할 수 있는 것을 실증했다. B2H6/He 가스 농도를 0.2%/99.8%로 하고 VDC 60V, 소스 파워 1500W, 압력 0.9Pa에서 플라즈마 도핑하면, 45초부터 60초 사이의 도즈량의 변화는 도 3의 곡선 b로 나타낸 바와 같이, 45초에서 2.62E15cm-2이고 60초에서 2.63E15cm-2이므로, 불과 0.01E15cm-2였다. 이 사이는, 단위 시간당 조금씩 도즈량은 증가한다. 그 비율은, (2.63E15-2.62E15)/(60-45)=6.7E11cm-2/초로 매우 느리고, 시간 변화에 대하여 매우 안정적이다.
2.62E15cm-2를 노린 경우에 1σ=1%가 되도록 허용할 수 있는 도즈량의 최대치와 최소치의 차(±3σ)는 2.52-2.68E15cm-2이므로, 그 차는 약 1.5E14cm-2이다. 도핑 시간이 45초부터 60초까지의 사이에서는, 도즈량은 6.7E11cm-2/초로 느린 비율로만 변화하므로, 2.62E15cm-2를 노린 1σ=1%의 도즈량 제어를 할 수 있는 전망이 선다. 왜냐하면 장치에 의해 결정되는 도핑 시간의 제어는 100 밀리세컨드 오더로서, 크게 어림잡아도 도핑 시간이 1초 이상 벗어나는 경우는 없기 때문이다.
여기서, 도즈량은 1100℃, 3분의 조건으로 어닐링 한 후의 표면 저항으로부터 추정한 것인데, 도핑 시간이 45초부터 60초 사이의 샘플의 표면 저항의 차는 불과 107.4~107.0ohm/sq와 0.4ohm/sq였다. 15초의 긴 시간에 걸쳐 도즈량이 변화가 작은 것은 주목해야만 하는 새로운 발견이다. 상술했으나, 장치 제어의 관점으로부터, 플라즈마 도핑을 반복하여 50초 행하는 것에 대한 시간의 벗어남은, 겨우 수백 마이크로초이다. 이에 따라 실제로는, 예를 들면 50초±0.5초 정도의 벗어남을 신경쓰면 되므로, 매우 안정적인 제어성이 높은 도즈량의 제어 방법이라고 말할 수 있다.
도 3으로부터, B2H6/He 가스 농도를 0.025%/99.975%로 한 경우에는 60초 부근에 붕소의 도핑과 스퍼터링의 균형이 잡히는 시간 범위가 있는 것을 알 수 있다. 또한 B2H6/He 가스 농도가 0.1%/99.9%인 경우에는 60초 부근, 0.2%/99.8%인 경우에는 45~60초 부근, 0.5%/99.5%인 경우에는 60~70초 부근, 0.6%/99.4%인 경우에는 60초~100초 부근에 붕소의 도핑과 스퍼터링의 균형이 잡히는 시간 범위가 있다. 이 부근에서는, 장치 제어의 관점으로부터의 도핑 시간의 제어와 비교하여, 도즈량의 시간 변화가 매우 작아 도즈량의 고정밀도 제어가 가능한 것은, B2H6/He 가스 농도를 0.2%/99.8%로 한 경우와 동일한 이론으로 설명 가능하다.
또한 도 3의 실험 결과로부터, 시간 변화에 대하여 그 변화가 포화되었을 때의 도즈량과 B2H6 가스 농도와의 관계를 정리한 결과를 도 4에 나타낸다. 세로축은 포화된 도즈량, 가로축은 B2H6 가스 농도이다. 이 결과, B2H6 가스 농도와 포화된 도즈량은 1대1의 대응에 있는 것을 알 수 있었다. 이상으로부터, B2H6 가스 농도를 변화시킴으로써, 시간 변화에 대하여 도즈량 변화가 거의 일정해지는 도즈량의 수준을 변화시킬 수 있고, 시간 변화에 대하여 도즈량 변화가 거의 일정해지는 도즈량의 수준이 소망하는 도즈량이 되도록 B2H6 가스 농도를 조정하고, 또한 시간 변화에 대하여 도즈량 변화가 거의 일정해지는 시간 영역으로 플라즈마 도핑 시간을 조정함으로써, 도즈량을 소망하는 값으로 정확히 제어할 수 있는 것을 실증했다.
이에 대하여, B2H6 가스 농도를 조정한 것만으로는 시간의 벗어남에 대하여 안정성이 결여된다. 또한 시간 변화에 대하여 도즈량 변화가 거의 일정해지는 시간 영역 이외에, 플라즈마 도핑 시간을 조정한 것만으로도 시간의 벗어남에 대하여 안정성이 결여된다. 또한 시간 변화에 대하여 도즈량 변화가 거의 일정해지는 시간 영역은 B2H6 가스 농도에 따라 다르므로, 각 B2H6 가스 농도에 맞는 시간 영역으로 조정하지 않으면 안 된다. 이것을 행하지 않은 경우에는, 어떤 B2H6 가스 농도에서는 정확하게 도즈량을 조정할 수 있어도, 다른 B2H6 가스 농도에서는 시간의 벗어남에 대하여 안정성이 결여된다.
도 5, 도 6은 이 도즈량 제어의 방법을 이용하여 시작(試作)한 플라즈마 도핑 후의 기판을 1075℃, 20초로 어닐링 한 결과이다. 표면 저항은, 200mm 기판의 단부 5mm을 제외한 면 내의 81곳을 측정했다. 도즈량이 시간의 변화에 대하여 일정 해지는 플라즈마 도핑 시간과 B2H6/He 가스 농도를 이용한 것이 특징이다. 여기서는 도 3과 도 4를 참조하면서 간단히 설명한다. 어느 소정의 바이어스에 대하여 B2H6/He 가스 농도를 적절히 설정하면, 도 3과 같이 플라즈마 도핑 시간의 변화에 대하여 B 도즈량이 거의 변화하지 않는 포화되는 시간대를 만들 수 있다. 포화되는B 도즈량은 B2H6/He 가스 농도를 변화시킴으로써 도 4와 같이 변화시킬 수 있다. 즉, 도즈량을 제어할 수 있다. 여기서 도 5와 도 6에서 이용한 플라즈마 도핑 조건은, 도 3과 도 8의 도면상에 화살표 a,b로 나타낸 플라즈마 도핑 조건이다. a는 도 5, b는 도 6의 조건을 나타낸다.
도 5는, 도즈량 제어의 방법을 이용하여 B2H6/He 가스 농도를 0.1%/99.9%로 하고 플라즈마 도핑 시간을 60초로 함으로써 B 도즈량을 1.63E15cm-2로 조정한 경우의 Rs 균일성의 결과이다. Rs의 평균은 194.0ohm/sq이고, 균일성은 1σ에서 2.25%였다. 도즈량이 포화되지 않은 시간에서 시작(試作)한 샘플에서는, 균일성은 1σ에서 5%로부터 10%정도이며, 이와 같이 균일한 것은 만들어져 있지 않고, 도즈량이 포화되는 시간을 선택한 것에 따른 유효한 효과의 하나이다.
도 6은, 도즈량 제어의 방법을 이용하여 B2H6/He 가스 농도를 0.2%/99.8%로 하고 플라즈마 도핑 시간을 45초로 함으로써 B 도즈량을 2.62E15cm-2로 조정한 경우의 가스 농도와 시간의 관계를 측정한 결과를 나타내는 도이다. Rs의 평균은 147.9ohm/sq이고, 균일성은 1σ에서 2.42%였다. 이와 같이 도 5와 다른 도즈량에서 도 2.5% 이하의 좋은 수준의 균일성을 재현할 수 있음을 알 수 있다.
일반적으로, 균일성은 1σ의 값이 작아지면 질수록 균일성을 좋게 하는 기술적 난이도는 비약적으로 증대된다. 즉, 10%인 것을 5%로 개선하는 난이도와 5%인 것을 2.5%로 개선하는 난이도는 후자의 쪽이 크게 어렵다. 본 발명을 이용하지 않는 경우에는 5% 이상이었던 균일성이, 본 발명을 이용함으로써 2.5% 이하의 균일성을 용이하게 얻을 수 있는 것은 본 발명의 유효성을 나타내는 것이다.
<제2 실시예>
다음으로 본 발명의 제2 실시예로서 상기 도 1에서 나타낸 PD 장치-A를 이용하여 300mm의 실리콘 기판에 대하여 붕소의 도즈량과 플라즈마 도핑 시간을 변화시켜 플라즈마 도핑을 행했다.
도 7은 플라즈마 도핑 시간과 붕소 도즈량, 면내 균일성의 관계를 측정한 결과를 나타내는 도이다. 붕소의 도즈량은, 30초 정도에서 시간의 변화에 대하여 포화를 시작한 것을 알 수 있다. 또한 붕소 도즈량의 면내 균일성은, 도즈량이 포화하고 30초 정도 더 경과한 시간, 즉, 플라즈마 도핑 시간이 60초일 때 가장 양호한 값을 나타냈다.
도 8은, 도 7에서 나타낸 300mm 기판에 붕소를 플라즈마 도핑한 후, 1075℃, 20초로 어닐링 한 후의 표면 저항의 면내 분포이다. 표면 저항은, 300mm 기판의 단부 3mm를 제외한 면내의 121곳을 측정했다. 도 9는 도 8의 각 면내 분포에서 기판 중앙을 통과하는 세로축 상의 표면 저항의 분포를 나타낸 것이다. 또한 도 10은 동일한 도면이나, 표면 저항을 각각의 기판 면 내의 평균치로 나누고 규격화하여 나 타낸 도이다.
이와 같이, 도즈량이 플라즈마 도핑 시간의 변화에 대하여 변화하지 않게 되고, 더욱 시간이 지나면 면내 균일성도 좋은 것이 얻어지게 된다. 이것은 도즈량이 플라즈마 도핑 시간의 변화에 대하여 변화하지 않게 되고 시간이 지나면, 실리콘 기판 면내의 도즈량이 적은 부분의 도즈량이, 도즈량이 포화된 부분의 도즈량의 수준에 도달하기 때문이라고 생각된다.
한편, 도즈량이 플라즈마 도핑 시간의 변화에 대하여 변화하지 않게 된 직후의 시간을 플라즈마 도핑 시간으로 설정하면, 기판 면내의 도즈량이 적은 부분의 도즈량이, 도즈량이 포화된 부분의 도즈량의 수준에 도달하지 않으므로, 면내 균일성이 충분하다고는 할 수 없는 경우가 있다.
즉 도즈량 제어에 대하여 충분해도, 면내 균일성을 더욱 확보하려고 하면, 플라즈마 도핑 시간을 보다 최적으로 설정할 필요가 있는 경우도 있다.
다음으로, 본 발명의 메커니즘을 도 9, 도 10을 참조하여 설명한다. 도 9, 도 10에서는, 각각 7초(7sec) 후, 30초(30sec) 후, 60초(60sec) 후의 표면 저항을 나타낸다. 처음에 붕소가 다수 도핑된 부분(도 9, 도 10의 가로축-150mm으로부터 0mm의 부분)은, 시간이 경과함에 따라 도즈량이 상대적으로 빨리 포화된다. 역으로, 처음에 붕소가 그다지 도핑되지 않았던 부분(도 9, 도 10의 가로축 75mm으로부터 150mm의 부분)은, 도즈량이 포화되기까지 상대적으로 많은 시간이 걸린다.
단, 도즈량이 포화되기 시작하여 얼마간 시간이 경과하면, 처음에 붕소가 다수 도핑된 부분은 그 이상 좀처럼 붕소가 주입되지 않고, 한편 처음에 붕소가 그다 지 도핑되지 않았던 부분은 도즈량이 포화에 달하므로, 그 차가 작아진다. 도 9, 도 10에서 60초 도핑한 경우에, 세로축의 표면 저항의 편차 폭이 작은 것은 그 때문이다. 이에 따라 표면 저항의 면내 균일성을 개선할 수 있다. 본 발명의 방법은, 플라즈마 도핑에서 면내 균일성을 확보하는 매우 유효한 수단이다. 동시에 도즈량의 제어가 가능한 것은 상술한 바와 같다.
또한 제1 실시예와 제2 실시예에서 채용한 1075℃, 20초의 어닐링 조건에서는, 표면 저항의 분포는 도즈량의 분포라고 생각해도 지장이 없다. 도즈량과 표면 저항은 1대 1의 관계에 있기 때문이다. 이와 같은 고온이고 비교적 긴 시간의 어닐링 조건에서는, 불순물은 거의 완전하게 전기적으로 활성화되어 있다고 추측할 수 있고, 이것이 1대 1로 대응하는 이유로서 생각된다.
다음으로 활성화 공정에 대하여 설명한다. 이것은 PD 장치에 의존하지 않으며 공통이다. 어닐링 시에는, 어닐링 장치의 시료대 상에, 불순물 이온이 공급된 실리콘 기판을 올려놓고, 적외선 레이저로부터 거울로 반사시킨 레이저 광을 실리콘 기판의 표면에 조사함으로써 실리콘 기판의 표면을 가열하여 활성화할 수 있다.
또한 활성화 공정에 있어서는, 활성화 처리실로서 후레쉬 램프 처리실을 이용하는 것도 가능하다. 후레쉬 램프 처리실은, 용기와, 시료대와, 윈도우와, 후레쉬 램프로 이루어진다. 시료대 상에 불순물 이온이 공급된 실리콘 기판을 올려놓고, 후레쉬 램프로부터의 방사광을 실리콘 기판의 표면에 조사함으로써, 실리콘 기판의 표면을 가열하여 활성화할 수 있다.
또한 상기 실시예에서는, 활성화 공정에서는 활성화 처리실로서 후레쉬 램프 처리실을 이용했으나, 현재 반도체의 양산 공정에서 이용되고 있는 텅스텐 할로겐 램프 처리실을 이용하는 것도 가능하다.
이상 설명한 본 발명의 실시 형태에서는, 본 발명의 적용 범위 중, 처리실의 구성, 형상, 배치 등에 관하여 다양한 변화 중 일부를 예시한 것이 불과하다. 본 발명의 적용에 있어, 여기서 예시한 이외에도 다양한 변화를 생각할 수 있음은 말할 것도 없다.
또한 시료가 실리콘 기판으로 이루어지는 반도체 기판인 경우를 예시했으나, 다른 다양한 재질의 시료를 처리할 시에 본 발명을 적용할 수 있다. 예를 들면, 비틀림 실리콘 기판이나 SOI 기판에도 유효하다. 이들은 플라즈마로부터 보이는 표면 형상만을 생각한 경우, 실리콘 기판과 동일하기 때문이다. 또한 Fin FET의 경우에도 유효하다. Fin FET의 경우에도, 일반적으로 그 구조는 1㎛, 혹은 그 이하의 오더의 치수이다. 플라즈마의 시스(sheath)의 폭은 1mm 이상의 오더이다. 따라서, 플라즈마로부터 보이는 표면 형상만을 생각한 경우, Fin FET의 구조는 무시할 수 있는 정도로 작고, 실리콘 기판과 동일하기 때문이다.
또한 불순물이 붕소인 경우에 대하여 예시했으나, 시료가 실리콘으로 이루어지는 반도체 기판인 경우, 특히 불순물이 비소, 인, 붕소, 알루미늄 또는 안티몬인 경우에 본 발명은 유효하다. 이것은, 트랜지스터 부분에 얕은 접합을 형성할 수 있기 때문이다.
또한 본 발명은, 불순물을 포함하는 가스 농도가 저 농도인 경우에 유효하고, 특히 고정밀도로 도즈량의 컨트롤이 필요한 플라즈마 도핑 방법으로서 유효하 다.
또한 플라즈마 도핑 공정에 있어서, 반응 용기 내에 공급하는 가스가 도핑 원료를 포함하는 가스인 경우를 예시했으나, 반응 용기 내에 공급하는 가스가 도핑 원료를 포함하지 않고, 고체 상태의 불순물로부터 도핑 원료를 발생시키는 경우에도 본 발명은 유효하다. 즉, 불순물 원자를 포함하는 고체를 반응 용기 내에 배치하고, He 등의 플라즈마를 여기시켜 불순물 원자를 플라즈마화하여 플라즈마 도핑시키는 등의 경우에도 본 발명은 유효하다.
또한 플라즈마 도핑을 행할 시에, 플라즈마가 접하고 있는 반응 용기의 내벽의 온도를 거의 일정하게 한 상태에서 처리를 행하는 것이 바람직하다. 이것은, 반응 용기의 내벽의 온도가 처리 도중에 변화하면, 내벽의 온도에서의 불순물 원자의 부착 확률이 변화하고, 또한 내벽에 부착한 불순물 원소를 포함하는 박막으로부터 플라즈마 내로 방출되는 불순물 원자의 수가 변화하므로, 단위 시간당 도즈량이 변화되어 버리기 때문이다. 반응 용기 내벽의 온도를 일정하게 유지하는 방법으로서는, 히터에 의해 가열하는 방법이나, 냉매를 순환시킴에 따라 냉각하는 방법 등으로부터 적절히 선택할 수 있다.
또한 반응 용기 중의 불순물을 포함하는 가스의 농도를 조정할 때, 가스의 공급량을 조정하여 농도 그 자체를 직접 조정하는 방법뿐만 아니라, 반응 용기 내벽의 온도를 낮춰 소정의 불순물을 석출시킴으로써 해당 불순물의 농도를 저하시키거나, 반응 용기 내벽의 온도를 높여 소정의 불순물의 석출을 억제함으로써 해당 불순물의 농도를 유지하거나, 반응 용기 내벽 온도의 조정에 의해 도즈량을 조정하 는 것도 가능하다. 또한 피드백 기능을 구비함으로써, 반응 용기 내벽의 온도 제어를 하면서 농도 제어를 행하는 것도 가능하다.
또한 플라즈마 도핑을 행할 시에 불순물 원소를 포함하는 가스의 농도를 처리 도중에 낮추어도 무방하다. 이 경우의 적절한 처리 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 불순물 원소를 포함하는 가스의 농도가 높은 상태에서 플라즈마 도핑을 행함에 따라, 처리 초기에서의 단위 시간당 도즈량을 높게 한다.
이어서 불순물 원소를 포함하는 가스의 농도가 낮은 상태에서 플라즈마 도핑을 행한다. 그리고 도즈량이 시간 의존성을 가지지 않고 일정하게 되는 시간 범위에서 플라즈마 도핑 처리를 정지한다. 이와 같은 수순으로 처리함으로써, 초기부터 불순물 원소를 포함하는 가스의 농도가 낮은 상태에서 처리한 경우와 비교하여, 총 처리 시간의 단축을 도모할 수 있게 된다.
이 경우에도 반응 용기 내벽의 온도를 처음에 높여 두고, 최대한 불순물을 포함하는 가스의 농도를 높여 두며, 이어서 반응 용기 내벽의 온도를 낮춰 불순물 의 내벽으로의 석출을 촉진하여, 가스의 농도를 낮추는 방법도 유효하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 도핑 방법에 따르면, 불순물 도입량을 정밀하게 제어할 수 있어, 안정적이고 고 정밀도로 도즈량 제어가 행해진 불순물 영역을 형성할 수 있게 된다.
또한 면내 균일성이 우수한 불순물 영역을 형성할 수 있다.
본 발명의 플라즈마 도핑 방법은, 경제적이고, 불순물 도입량을 정밀하게 제 어할 수 있어, 얕은 불순물 확산 영역을 형성하는 플라즈마 도핑 방법을 실현하는 것이 가능하여, 반도체의 불순물 공정을 비롯하여 액정 등에서 이용되는 박막 트랜지스터의 제조 등의 용도에도 적용할 수 있다.

Claims (19)

  1. 기판에 불순물을 포함하는 가스의 플라즈마를 조사하고, 상기 기판의 표면에 불순물 영역을 형성하는 플라즈마 도핑 방법으로서,
    제 1 기판에 도입되는 상기 불순물의 도즈량이 플라즈마 도핑 시간의 변화와 관계없이 일정해지는 플라즈마 도핑 시간 범위를 결정하는 공정, 및
    상기 플라즈마 도핑 시간 범위를 결정하는 공정 후에, 상기 플라즈마 도핑 시간 범위에 포함되는 플라즈마 도핑 시간을 이용하여, 상기 불순물을 제 2 기판에 플라즈마 도핑하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 도핑하는 공정 전에, 상기 불순물을 포함하는 가스의 농도와 상기 일정해지는 도즈량의 관계를 복수의 상기 농도에 대하여 구함으로써, 상기 플라즈마 도핑하는 공정에 이용하는 상기 불순물을 포함하는 가스의 농도를 결정하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 도핑 시간 범위를 결정하는 공정은, 상기 제 1 기판에서의 면내의 복수의 장소에 있어서, 상기 제 1 기판에 도입되는 상기 불순물의 도즈량이 상기 플라즈마 도핑 시간의 변화에 관계없이 일정해지는 상기 플라즈마 도핑 시간 범위를 각각 구하는 공정을 포함하고,
    상기 각각의 플라즈마 도핑 시간 범위 내에서 가장 늦은 플라즈마 도핑 시간 범위에 맞춰 상기 플라즈마 도핑 시간을 결정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제 1 기판 및 상기 제 2 기판의 직경은 200mm 이상이고,
    상기 제 1 기판 및 상기 제 2 기판의 면 내에서의 상기 불순물의 도즈량의 1σ로 표시되는 균일성이 2.5% 이하가 되도록, 상기 플라즈마 도핑 시간을 결정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제 1 기판 및 상기 제 2 기판의 직경은 300mm 이상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 불순물을 포함하는 가스의 플라즈마는, B 원자와 H 원자로 이루어지는 분자(BnHm)와 He의 혼합 가스 플라즈마로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 불순물을 포함하는 가스의 플라즈마는, B2H6와 He의 혼합 가스 플라즈마로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 B2H6와 He의 혼합 가스 플라즈마 중의 B2H6 가스 농도는 0.01% 내지 1% 인 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 B2H6와 He의 혼합 가스 플라즈마 중의 B2H6 가스 농도는 0.025% 내지 0.6%인 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 방법.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 불순물을 포함하는 가스의 플라즈마는, BF3와 He의 혼합 가스 플라즈마로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 방법.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 제 1 기판 및 상기 제 2 기판은 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 방법.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 도핑하는 공정은,
    상기 불순물을 포함하는 가스를 제1 농도로 설정하여 플라즈마 도핑하는 제1 도핑 공정, 및
    상기 제1 도핑 공정 후에, 상기 불순물을 포함하는 가스를 상기 제1 농도보다도 낮은 제2 농도로 설정하여 플라즈마 도핑하는 제2 도핑 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 방법.
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