KR20010053627A - 플라즈마 침지 이온 주입 도핑 장치용 투여량 모니터 - Google Patents

플라즈마 침지 이온 주입 도핑 장치용 투여량 모니터 Download PDF

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Abstract

플라즈마 도핑 장치는 플라즈마 도핑 챔버, 반도체 웨이퍼 등과 같은 작업편을 지지하기 위하여 플라즈마 도핑 챔버에 장착된 플래튼, 상기 챔버에 결합된 이온화 가능한 가스의 가스원, 상기 플래튼과 간격을 두고 형성된 양극, 그리고 상기 음극 및 양극 사이에 고전압 펄스를 인가하기 위한 펄스원을 포함한다. 이 고전압 펄스는 상기 작업편 근처에 플라즈마 외피를 갖는 플라즈마를 생성한다. 플라즈마는 이온화 가능한 가스 중 양이온을 포함한다. 상기 고전압 펄스는 작업편 내로의 주입을 위하여 플라즈마 외피를 가로질러 플래튼 쪽으로 상기 양이온을 가속시킨다. 플라즈마 도핑 장치는 더 플라즈마 외피를 가로질러 가속된 상기 양이온의 샘플을 수집하기 위하여 플래튼 근처에 배치된 적어도 하나의 패러디 컵을 더 포함한다. 상기 샘플은 상기 작업편 내로 주입되는 양이온 투여량을 나타낸다.

Description

플라즈마 침지 이온 주입 도핑 장치용 투여량 모니터 {DOSE MONITOR FOR PLASMA-MONITOR ION IMPLANTATION DOPING SYSTEM}
이온 주입은 반도체 웨이퍼 내로 전기 전도성을 변화시키는 불순물을 주입하기 위한 기본 기술이다. 통상의 이온 주입 장치에서, 원하는 불순물이 이온 공급원 내에서 이온화되고, 그 이온은 소정의 에너지를 갖는 이온 빔을 형성하도록 가속화되며, 상기 이온 빔은 웨이퍼의 표면을 향하게 된다. 상기 빔에서 활성화된 이온은 반도체 물질 덩어리 내로 침투하고, 그 반도체 물질의 결정 격자 내로 매립된다.
몇 몇 적용례에서, 반도체 웨이퍼 내에서 얕은 접합부를 형성하는 것이 필요한 경우가 있으며, 여기서 상기 불순물은 상기 웨이퍼의 표면 근처의 영역에 형성된다. 이러한 적용 시 상기 통상의 이온 주입 장비를 형성하는 높은 에너지 가속도 및 관련 빔은 필요 없다. 따라서, 반도체 웨이퍼에서 얕은 접합부를 형성하기 위한 플라즈마 도핑 장치를 사용하는 것이 제안되었다. 플라즈마 도핑 장치에서, 반도체 웨이퍼는 음극으로 작용하는 도전성 플래튼 상에 배치된다. 원하는 도판트 물질을 포함하는 이온화 가능한 가스가 챔버 내로 도입되고, 고전압 펄스가 플래튼과 양극 또는 챔버 벽 사이에 인가되어, 웨이퍼 부근에 플라즈마 외피를 갖는 플라즈마를 형성한다. 적용된 전압에 의하여 플라즈마 내의 이온이 플라즈마 외피를 가로질러 웨이퍼 내로 주입된다. 주입 깊이는 웨이퍼 및 양극 사이에 가해진 전압과 관계된다. 플라즈마 도핑 장치는 1994년 10월 11일자로 Sheng에게 허여된 미국 특허 제5,354,381호에 기술된다.
상술된 플라즈마 도핑 장치에서, 고전압 펄스는 플라즈마를 발생시키고 상기 플라즈마로부터 웨이퍼를 향하여 양의 이온을 가속시킨다. 플라즈마 침지 장치로서 공지된 다른 형태의 플라즈마 장치에서, 연속 RF전압이 플래튼과 양극 사이에 인가되고, 그리하여 연속 플라즈마를 생성한다. 때때로, 고전압 펄스가 상기 플래튼 및 양극 사이에 인가되어, 플라즈마 내의 양이온은 웨이퍼를 향하여 가속되게 된다.
이온 주입과 관련한 반도체 제조공정에서, 웨이퍼 내로 주입되는 반복적인 이온 투여량 및 상기 웨이퍼 표면을 가로지르는 투여량 균일도가 엄격하게 요구된다. 상기 주입된 투여량은 전기적 활동도의 주입 영역을 결정하고, 한편 반도체 웨이퍼 상에서의 모든 장치는 열거된 제한 범위 내의 동작 특성을 가지도록 하기 위하여 투여량 균일도가 요구된다.
플라즈마 도핑 장치에서 투여량 측정에 대한 종래 기술은 전술된 특허 제5,354,381호에 기술된 바와 같이 고전압 펄스에 의하여 플라즈마에 공급되는 전류의 측정을 포함한다. 그러나, 이 기술은 부정확성의 문제가 있다. 중성분자가 전체 투여량에 기여하더라도 상기 측정된 전류는 이온 주입 중에 발생되는 전자를 포함하고, 작업편 내로 주입되는 중성분자를 제외시킨다. 더욱이, 측정된 전류는 주입된 웨이퍼를 통과하기 때문에, 이는 웨이퍼의 특성에 의존하게 되며, 그것은 측정된 전류에서의 에러를 형성한다. 그 특성은 방사율, 국부 전하, 웨이퍼 상의 포토레지스트(photoresist)로부터의 가스방출 등을 포함한다. 따라서, 동일한 이온 투여량에 대하여 웨이퍼가 서로 다른 경우 서로 다른 전류가 측정된다. 추가로, 측정된 전류 펄스는 측정 시 에러를 형성할 수 있는 큰 전기 용량성 또는 이동 전류 성분을 포함한다.
플라즈마 도핑 투여량 측정 기술이 E. Jones 등에 의한 IEEE Transactions on Plasma Science, Vol.25, No.1, 1997년 2월, pp.42-52에 기술된다. 주입 전류 및 주입 전압의 측정치는 단일의 주입 펄스용의 주입 프로파일을 결정하는 데 사용된다. 단일 펄스용의 주입 프로파일은 최종 주입 프로파일 및 전체 주입된 투여량을 예측하는 데 사용된다. 또한, 이러한 기술은 그것이 반복성을 보장하기 위한 가스 제어 안정성 및 전력원에 어느 정도 의존하기 때문에 부정확성의 문제가 발생하기 쉽다. 더욱이, 경험에 의한 이 기술은 소비적이고 고가이다.
웨이퍼에 대한 고에너지 빔의 적용을 포함한 통상의 이온 주입 장치에서, 반복적인 이온 투여량은 일반적으로 목표 웨이퍼의 정방에 배치된 패러디 컵(Faraday cup) 또는 패러디 캐이지(cage)에 의하여 측정된다. 상기 패러디 캐이지는 일반적으로 도전성 엔클로져이고, 종종 웨이퍼는 엔클로져의 하류 단부 및 패러디 시스템의 구성부분에 배치된다. 이온빔은 패러디 캐이지를 통하여 웨이퍼까지 지나가고 상기 패러디 내에 전류를 생성한다. 상기 패러디 전류는 전자 투여량 프로세서에 공급되는데, 이는 전체 이온 투여량을 결정하기 위하여 전류를 시간에 관하여 적분한다. 상기 투여량 프로세서는 상기 이온 주입기를 제어하는 데 사용되는 피이드백 루프의 일부일 수 있다.
이온 주입기의 여러 가지 패러디 캐이지 구성이 종래 기술에 기술되어 있다. 반도체 웨이퍼 전방에 배치된 패러디 캐이지는, 1979년 1월 16일자로 Forneris 등에게 허여된 미국 특허 제4,135,097호; 1984년 2월 21일자로 Turner에게 허여된 미국 특허 제4,433,247호; 1983년 12월 20일자로 Robertson 등에게 허여된 미국 특허 제4,421,988호; 1984년 7월 31일자로 Robertson 등에게 허여된 미국 특허 제4,463,255호; 1982년 11월 30일자로 Douglas에게 허여된 미국 특허 제4,361,762호; 1988년 11월 22일자로 Kolondra 등에게 허여된 미국 특허 제4,786,814호; 및 1986년 7월 17일자로 Wu 등에게 허여된 미국 특허 제4,595,837호에 기술된다. 회전 디스크 뒤에 배치된 패러디 캐이지는 1980년 10월 14일자로 Ryding에게 허여된 미국 특허 제4,228,358호; 1980년 11월 18일자로 Ryding에게 허여된 미국 특허 제4,234,797호; 및 1986년 5월 6일자로 Farley에게 허여된 미국 특허 제4,587,433호에 기술된다.
투여량 및 투여량 균일도는 또한, 1988년 7월 14일자로 Corey, Jr 등에게 허여된 미국 특허 제4,751,393호에 기술된 바와 같이 코너 컵 정렬을 이용한 통상의 고에너지 이온 주입 장치에서 측정되었다. 중심 개구를 갖는 마스크가 이온빔의 경로에 배치된다. 상기 빔은 중심 개구를 관통하여 웨이퍼 상에 충돌하는 부분으로 마스크 영역 상에 주사된다. 작은 패러디 컵은 마스크의 4개의 코너에 배치되고 이들 위치에서 빔 전류를 감지한다.
본 발명은 작업편의 이온 주입용으로 사용되는 플라즈마 도핑 장치에 관한 것으로, 특히 플라즈마 도핑 장치에서 작업편 내로 주입되는 이온 투여량을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명을 더욱 잘 이해하기 위하여, 참고로서 이하에 병합된 첨부 도면을 참조한다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 도핑 장치의 간단화된 개략 블록도이다.
도2는 도1의 플라즈마 도핑 장치에서 웨이퍼 및 패러디 컵을 도시한 부분 개략 단면도이다.
도3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 도핑 장치의 부분 개략 단면도이다.
도4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 패러디 컵 구성의 개략 단면도이다.
도5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 패러디 컵 구성의 개략 단면도이다.
도6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 패러디 컵 구성의 개략 단면도이다.
도7은 본 발명의 제6 실시예에 따른 패러디 컵 구성의 개략 단면도이다.
도8은 본 발명의 제7 실시예에 따른 패러디 컵 구성의 개략 단면도이다.
도9는 본 발명의 제8 실시예에 따른 패러디 컵 구성의 개략 단면도이다.
본 발명의 제1 태양에 따르면, 플라즈마 도핑 장치가 제공된다. 상기 플라즈마 도핑 장치는 플라즈마 도핑 챔버, 시스템의 음극인 작업편, 일반적으로 반도체 웨이퍼를 지지하기 위한 플라즈마 도핑 챔버에 장착된 플래튼, 상기 챔버에 결합된 이온화 가능한 가스의 가스원, 상기 플래튼과 간격을 두고 형성된 양극, 그리고 상기 음극과 양극 사이에 고전압 펄스를 인가하기 위한 펄스원을 포함한다. 고전압 펄스는 상기 작업편 근처에 플라즈마 외피를 갖는 플라즈마를 생성한다. 플라즈마는 이온화 가능한 가스 중 양이온을 포함한다. 상기 고전압 펄스는 작업편 내로의 주입을 위하여 플라즈마 외피를 가로질러 플래튼 쪽으로 상기 양이온을 가속한다. 플라즈마 도핑 장치는 플라즈마 외피를 가로질러 가속된 양이온의 샘플을 수집하기 위하여 플래튼 근처에 배치된 하나 이상의 패러디 컵을 더 포함한다. 상기 샘플은 상기 작업편 내로 주입되는 양이온 투여량을 나타낸다. 광학 안내 링은 작업편에 대면하는 소정의 균일 플라즈마 밀도를 획득하기 위하여 플라즈마 형태를 변형시키는데 사용될 수 있다.
상기 장치는 상기 플래튼 둘레에 배치된 단일의 패러디 컵 또는 둘 이상의 패러디 컵을 포함한다. 환형의 패러디 컵이 플래튼 둘레에 배치될 수 있다. 플라즈마 도핑 장치가 안내 링을 포함할 때, 패러디 컵은 바람직하게는 안내 링 내에 매립된다. 안내 링은 플라즈마 균일도를 제어하기 위하여 선택된 음극 전위 또는 또 다른 전위 중 어느 하나에 유지될 수 있다. 안내 링에 매립된 패러디 컵을 안내 링과 동일한 전위로 유지시킴으로써, 측정된 전류 펄스의 원치 않는 용량성 성분이 최소화되거나 제거된다.
여러 가지 상이한 패러디 컵 구성이 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 패러디 컵으로의 입구는 작업편과 대략 동일 평면상에 있고, 패러디 컵은 플래튼과 대략 동일한 전위에서 유지된다. 또 다른 실시예에서, 도전성 마스크가 패러디 컵 정면에 배치된다. 마스크는 패러디 컵에 그 입구가 정렬된 개구를 가진다. 상기 마스크 및 플래튼은 대략 동일한 전위로 유지된다. 또 다른 실시예에서, 상기 장치는 패러디 컵으로의 입구에 배치된 전극과, 상기 패러디 컵으로부터 2차 전자의 탈출을 방지하기 위하여 상기 전극을 편향시키는 전압원을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 자석은 2차 전자의 탈출을 억제하기 위하여 패러디 컵으로의 입구에 배치될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 패러디 컵의 입구는 패러디 컵의 깊이에 비하여 작은 측면 치수를 가져서, 패러디 컵의 기하학적 구성은 2차 전자의 탈출을 억제한다.
패러디 컵은 작업편 내로 주입되는 이온 전류로 표현되는 전류를 발생시킨다. 상기 장치는 전류를 시간에 대하여 적분하고 작업편 내로 주입되는 양이온의 투여량으로 표현되는 출력을 발생시키는 투여량 처리 회로를 포함한다.
상기 플래튼 둘레에 배치된 둘 이상의 패러디 컵을 포함하는 실시예에서, 각 패러디 컵은 작업편 내로 주입되는 이온 전류로 표현되는 전류를 생성한다. 플라즈마 도핑 장치는 패러디 컵에 의하여 생성되는 전류를 비교하고 작업편 내로 이온 주입의 균일도를 나타내는 출력을 발생시키는 투여량 균일도 회로를 포함한다.
일 실시예에서, 별도의 양극이 플라즈마 도핑 챔버 내에 제공된다. 플라즈마 도핑 챔버는 도전성 벽을 가질 수 있다. 양극 및 음극 벽은 접지와 같은 공통 전위에 연결될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 별도의 양극이 사용되지 않고, 전기 전도성 챔버 벽이 양극으로서 기능 한다.
본 발명에 따른 플라즈마 도핑 장치의 일 예가 도1에 개략적으로 도시된다. 플라즈마 도핑 챔버(10)는 포위 공간(12)을 형성한다. 챔버(10) 내에 배치된 플래튼(14)에는 반도체 웨이퍼(20) 등과 같은 작업편을 고정하기 위한 표면이 제공된다. 상기 웨이퍼(20)는, 예를 들면, 그 주변부가 플래튼(14)의 평평한 표면에 고정될 수 있다. 상기 플래튼(14)은 웨이퍼(14)를 지지하고 웨이퍼(20)에 전기 접속된다. 일 실시예에서, 플래튼은 웨이퍼(20)를 지지하기 위한 도전성 표면을 갖는 또 다른 실시예에서, 플래튼은 웨이퍼(20)에 전기 접속되도록 하는 도전성 핀을 가진다.
양극(24)은 플래튼(14)에 대하여 이격된 상태로 챔버(10) 내에 배치된다. 양극(24)은 플래튼(14)에 수직인 화살표 방향으로 이동 가능하다. 상기 양극(24)은 일반적으로 챔버(10)의 도전성 벽들에 연결되고, 그들 모두는 접지 된다.
웨이퍼(20) 및 양극(24)은 고전압 펄스 생성기(30)에 연결되어서, 웨이퍼(20)는 음극으로서 기능한다. 펄스 생성기(30)는 일반적으로 100 내지 3000볼트의 범위 내에서, 1 내지 50 마이크로세컨드의 지속시간, 그리고 약 100㎐ 내지 2K㎐의 펄스 반복 속도로 펄스를 제공한다. 이 펄스 파라미터 값은 실시예로서만 주어지는 것이고 다른 값들이 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있는 것으로 이해될 것이다.
상기 챔버(10)의 포위 공간(12)은 제어 가능한 밸브(32)를 통하여 진공 펌프(34)에 결합된다. 가스원(36)은 질량 흐름 제어기(38)를 통하여 챔버(10)에 결합된다. 챔버(10) 내에 배치된 압력 센서(44)는 제어기(46)에 챔버 압력을 나타내는 신호를 제공한다. 상기 제어기(46)는 감지된 챔버 압력을 소정의 압력 입력과 비교하고 밸브(32)에 제어 신호를 제공한다. 상기 제어 신호는 밸브(32)를 제어하여, 챔버 압력과 소정의 압력 사이의 차이를 최소화시킨다. 진공 펌프(34), 밸브(32), 압력 센서(44) 및 제어기(46)는 폐쇄 루프 압력 제어 시스템을 구성한다. 상기 압력은 일반적으로 약 1밀리토르(millitorr) 내지 500밀리토르의 범위에서 제어되며, 그러나 이 범위에 제한되지는 않는다. 가스원(36)은 작업편 내로 주입하기 위하여 소정의 도판트를 포함하는 이온화 가능한 가스를 공급한다. 이온화 가능한 가스의 예로서 BF3, N2, Ar, PF5, 및 B2H6을 포함한다. 질량 흐름 제어기(38)는 가스가 챔버(10)로 공급되는 속도를 조절한다. 도1에 도시된 구성은 일정한 가스 흐름 속도 및 일정한 압력에서 프로세스 가스의 연속적인 유동을 제공한다. 상기 압력 및 가스 유량은 바람직하게는 반복 가능한 결과를 제공하도록 조절된다.
작동시, 웨이퍼(20)는 플래튼(14) 상에 배치된다. 그 후, 압력 제어 시스템, 질량 흐름 제어기(38) 및 가스원(36)은 챔버(10) 내에서 소정의 압력 및 가스 유량을 생성한다. 예로서, 상기 챔버(10)는 10밀리토르의 압력에서 BF3가스 하에서 작동한다. 상기 펄스 생성기(30)는 웨이퍼(20)에 일련의 고전압 펄스를 인가하여서, 웨이퍼(20) 및 양극(24) 사이에 플라즈마(40)를 형성한다. 플라즈마(40)는 가스원(36)으로부터 이온화 가능한 가스 중 양이온을 포함한다. 플라즈마(40)는 또한 플래튼(14)의 근처에 플라즈마 외피(42)를 포함한다. 고전압 펄스 중 양극(24) 및 플래튼(14) 사이에 존재하는 전기장은 플라즈마(40)로부터 플라즈마 외피(42)를 가로질러 플래튼(14)으로 양이온을 가속한다. 가속된 이온은 불순물 영역을 형성하기 위하여 웨이퍼(20) 내로 주입된다. 펄스 전압은 웨이퍼(20) 내로 원하는 깊이까지 양이온을 주입할 수 있도록 선택된다. 펄스의 수 및 그 지속기간은 웨이퍼(20)에서 원하는 투여량의 불순물을 제공할 수 있도록 선택된다. 펄스당 전류는 펄스 전압, 가스압 및 가스 종류 및 전극의 변화 가능한 위치의 함수이다. 예를 들면, 음극 대 양극 간격은 서로 다른 전압에 대하여 조절된다.
본 발명에 따르면, 하나 이상의 패러디 컵은 웨이퍼(20) 내로 주입된 이온 투여량을 측정하기 위하여 플래튼(14) 근처에 배치된다. 도1 및 도2의 예에서, 패러디 컵(50, 52, 54 및 56)은 웨이퍼의 주변 둘레에 동일하게 이격된다. 각 패러디 컵은 플라즈마를 향한 입구(60)를 갖는 도전성 엔클로져를 갖는다. 각 패러디 컵은 바람직하게는 웨이퍼(20)에 실제 유효할 수 있을 정도로 그리고 플라즈마(40)로부터 플래튼(14)을 향하여 가속된 양이온 샘플을 차단할 수 있을 정도로 가깝게 배치된다.
패러디 컵은 투여량 프로세서(70) 또는 다른 투여량 모니터링 회로에 전기 접속된다. 이 기술 분야에서 공지된 바와 같이, 입구(60)를 통하여 각 패러디 컵으로 들어가는 양이온은 패러디 컵에 연결된 전기 회로에 전류를 생성한다. 전기 전류는 단위 시간당 받아들이는 양이온의 수 또는 이온 전류를 나타낸다. 패러디 컵(50, 52, 54 및 56)에 의해 수용되는 이온 전류는 단위 시간당 웨이퍼(20) 내에 주입되는 이온의 수에 대해 고정되는 관계를 갖는 것으로 추정된다. 플라즈마(40)의 균일도 및 플래튼(14)을 향한 이온 가속의 균일도에 따라, 각 패러디 컵에 의해 수용되는 단위 면적 당 이온 전류는 웨이퍼(20)에 주입되는 단위 면적 당 이온전류와 대략 동일하거나 또는 그의 고정 비율일 수 있다. 각 패러디 컵의 전기 전류 출력이 웨이퍼(20)에 주입된 이온 전류로 나타나기 때문에, 패러디 컵(50, 52, 54 및 56)은 웨이퍼(20)에 주입되는 이온 투여량의 측정을 제공한다.
1998년 1월 27일자로 Chapek 등에게 허여된 미국 특허 제5,711,812호에 기술된 바와 같이, 플라즈마 도핑 장치는 플래튼(14)을 에워싸는 안내 링(66)을 포함한다. 안내 링(66)은 웨이퍼의 모서리 근처에서 비교적 균일한 분포의 이온 주입을 보장하도록 하는 경향이 있다. 패러디 컵(50, 52, 54 및 56)은 웨이퍼(20)의 주변부 및 플래튼(14) 근처에서 안내 링(66) 내에 배치된다.
여러 가지 상이한 패러디 컵 구성이 본 발명의 범위 내에서 사용되는 것으로 이해될 것이다. 제2 실시예가 도3에 도시된다. 환형 패러디 컵(80)이 웨이퍼(20) 및 플래튼(14) 둘레에 배치된다. 환형의 패러디 컵(80)은 이온 전류에서 국부적인 변화들이 웨이퍼(20)의 주변 둘레에서 평균되는 이점을 가진다. 패러디 컵(80)은 환형의 안내링(82) 내에 배치된다. 대체로, 하나 이상의 패러디 컵의 임의의 구성이 사용될 수 있다. 상기 패러디 컵은 바람직하게는 웨이퍼(20) 및 플래튼(14)에 실제 유효할 수 있도록 가깝게 배치된다. 그러나, 패러디 컵은 웨이퍼(20) 내로 주입된 이온 전류를 나타내는 측정량을 제공하는 웨이퍼(20)에 관한 임의의 위치들을 가질 것이다.
상기에 나타난 바와 같이, 이온 전류를 나타내는 전기 신호가 패러디 컵 또는 컵들로부터 투여량 프로세서(70)로 공급된다. 일 실시예에서, 각 패러디 컵으로부터의 전기 전류가 챔버(10)의 외부에 배치된 투여량 프로세서(70)에 직접 공급된다. 또 다른 실시예에서, 도시되지 않은 예비처리 회로가 플래튼(14)의 근처에 배치되고 플래튼(14)의 전압에서 작동된다. 이 회로는 패러디 컵의 출력을 예비처리하고 투여량 프로세서(70)에 결과를 공급한다.
웨이퍼(20)에 주어진 전체 이온 투여량은 주입 시간에 대하여 적분된 순간 이온 전류이다. 투여량 프로세서(70)는 일반적으로 패러디 컵의 출력을 적분하는 회로를 포함한다. 적분기는 통상의 적분기 회로, 전하 감응 증폭기, 또는 적분 함수를 실행하는 임의의 다른 적절한 적분 회로를 이용한다. 장치가 둘 이상의 패러디 컵들을 포함하는 경우, 출력은 평균되어 전체 투여량을 결정하게 된다. 투여량 프로세서 구성은 통상의 고에너지 이온 주입기와 관련하여 알려져 있다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 둘 이상의 패러디 컵들이 소정의 투여량 균일도를 획득하는데 이용된다. 투여량 균일도는 웨이퍼(20)의 표면적에 대한 주입 이온의 균일도이다. 도2를 참조하면, 웨이퍼(20)에서 주입된 이온의 투여량이 균일한 경우, 패러디 컵들(50, 52, 54 및 56)은 동일한 이온 전류를 수용한다. 투여량이 균일하지 않은 경우, 패러디 컵들은 서로 다른 이온 전류를 수용한다. 따라서, 패러디 컵들의 전류 출력들은 소정의 균일도를 획득하기 위하여 서로에 대해 비교되거나 또는 기준치와 비교된다. 이리하여, 예를 들면, 만약 하나 이상의 패러디 컵들이 서로 다른 이온 전류를 제공한다면, 불 균일 이온 주입으로 표시된다. 이 불 균일 이온 주입 표시는, 예를 들면, 이온 주입을 정지시키거나 또는 변화시킴으로써 공정을 제어하는데 사용될 수 있다.
플라즈마 도핑 장치에 사용되는 패러디 컵 또는 컵들은 여러 가지 상이한 구성을 가질 수 있다. 도1에 도시된 기본 구성에서, 각 패러디 컵의 입구(60)는 플라즈마(40)에 대면하는 웨이퍼(20) 표면과 동일 평면상에 있을 수 있다. 패러디 컵들에 의해 플라즈마(40)에 대한 교란을 최소화하기 위하여 각 패러디 컵은 플래튼(14)과 동일한 전위에 있을 수 있다.
또 다른 패러디 컵 구성이 도4에 도시된다. 패러디 컵(90)은 안내 링(92) 내에 매립된다. 패러디 컵(90)은 바람직하게는 안내 링(92)과 동일한 전위에서 유지된다. 이 구성은 측정된 전류 펄스의 용량성 성분을 억제한다.
또 다른 패러디 컵 구성이 도5에 도시된다. 패러디 컵 조립체는 패러디 컵(104)에 전방에 배치되는 개구(102)를 갖는 도전성 마스크(100)를 포함한다. 마스크(100) 및 패러디 컵(104)은 플래튼(14) 및 웨이퍼(20) 근처에 배치되고, 마스크(100)는 플래튼(14)의 전위로 유지된다. 이 구성은 패러디 컵(104)이 플래튼(14)과는 다른 전압으로 바이어스 되도록 허용하는 한편, 마스크(100)는 패러디 컵(104)의 존재에 의해 발생되는 플라즈마(40)의 교란을 최소화한다. 이런 형태의 마스크는 여기서 기술된 바와 같은 하나 이상의 패러디 컵들을 사용하는 임의의 구성에 사용될 수 있다.
또 다른 패러디 컵 구성이 도6에 도시된다. 패러디 컵 조립체는 마스크(112) 및 패러디 컵(114)으로의 입구 사이에 배치되는 전극(110)을 포함한다. 전극(110) 및 마스크(112)는 각각 패러디 컵(114)으로의 입구와 정렬되는 개구를 갖는다. 마스크(112)는 바람직하게는 플래튼(14)의 전위에서 유지된다. 전극(110)은 패러디 컵(114)으로부터 2차 전자의 탈출을 억제하기 위하여 선택되는 전압을 제공하는 전압원(120)에 연결된다. 이 전극(110)은 2차 전자의 정전기 억제를 제공하며, 중공의 음극 방전의 억제에 유익한 효과를 가질 수 있다. 패러디 컵으로부터 탈출한 전자는 측정된 이온 투여량에 에러를 발생시킨다.
또 다른 패러디 컵 구성이 도7에 도시된다. 패러디 컵 조립체는 마스크(134) 및 패러디 컵(136)으로의 입구 사이에 배치되는 자석(130, 132)을 포함한다. 상기 마스크(134) 및 자석(130, 132)은 각각 패러디 컵(136)으로의 입구와 정렬되는 개구를 형성한다. 마스크(134)는 플래튼(14)과 동일한 전위로 유지된다. 자석(130, 132)은 패러디 컵(136)의 입구에서 자기장을 형성하며 그것은 2차 전자의 탈출을 억제한다. 자석(130, 132)은 2차 전자의 자기 억제(magnetic suppression)를 제공한다.
또 다른 패러디 컵 구성이 도8에 도시된다. 패러디 컵(150)은 2차 전자의 탈출을 억제하는 기하학적 구성을 갖는다. 특히, 패러디 컵(150)의 내부 깊이(D)는 패러디 컵 입구(152)의 폭(W)에 비하여 크다. 이 구성에서, 패러디 컵(150)의 저면(154)에서 발생된 2차 전자는 입구(152)를 통한 탈출 확률이 비교적 작다.
또 다른 패러디 컵 구성이 도9에 도시된다. 패러디 컵 조립체는 입구 개구 플레이트(172) 및 이온 수집기 플레이트(174) 사이에 배치되는 2차 전자 수집기 링(170)을 포함한다. 2차 전자 수집기 링(170)은 절연 와셔(178)에 의하여 입구 개구 플레이트(172)로부터 절연되고, 절연 와셔(178)에 의하여 이온 수집기 플레이트(174)로부터 절연된다. 상기 2차 전자 수집기 링(170)은 음극 및 양극 전위 사이에 연결된 (도시되지 않은) 전압원 또는 (도시되지 않은) 전압 분할기에 의하여 이온 수집기 플레이트(174)에 대하여 대략 플러스 10-100볼트의 전위에서 유지될 수 있다. 이온 수집기 플레이트(174)에서 형성된 2차 전자가 패러디 컵 입구를 향하여 이동하는 것을 방지함으로써, 이 구성은 중공의 음극 방전이 발생하는 것을 방지하는 데 효과적이다. 2차 전자 수집기 링(170)으로 흐르는 2차 전자 전류는, 소정의 투여량인 소정의 순이온(net ion) 전류를 획득하기 위하여 이온 수집기 플레이트(174)에 의하여 측정된 전류로부터 감해져야 한다.
각각의 경우에, 패러디 컵 조립체는 패러디 컵 및 관련된 구성 소자를 포함하며, 만약 있다면, 바람직하게는 플래튼(14) 및 웨이퍼(20) 근처에 배치된다. 이 조립체의 상부면은 바람직하게는 웨이퍼(20)의 상부면과 동일 평면이거나 또는 거의 동일 평면이다. 패러디 컵 조립체는 플라즈마(40)에 대한 임의의 교란을 최소화하도록 구성되며 이는 역으로 웨이퍼(20) 내로의 이온 주입 및 패러디 컵 조립체에 의한 이온 전류의 측정 모두를 달성할 수 있다.
지금까지, 본 발명은 플래튼(14) 및 양극(24) 사이에 고전압 펄스 인가 시 플라즈마가 형성되는 플라즈마 도핑 장치에 관하여 기술하였다. 하나 이상의 패러디 컵은 플라즈마가 양극 및 음극 사이 영역에 연속적으로 존재하고 이온이 고전압 펄스의 인가에 의해 음극을 향하여 가속되는 플라즈마 침지 장치에서 이용될 수 있다.
도1의 구성에서, 양극(24)은 챔버(10)와 분리되어 있으나 전기 접속되어 있다. 다른 구성의 경우, 플라즈마 도핑 챔버(10)의 도전성 벽이 양극으로서 작용하고 별도의 양극이 사용되지 않을 수도 있다.
전술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예가 도시 및 기술되었지만, 후속 하는 청구범위에 의해 한정된 바와 같이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 여러 가지 변화 및 변형이 만들어질 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.

Claims (40)

  1. 플라즈마 도핑 챔버와,
    음극을 구성하는 작업편을 지지하기 위하여 상기 플라즈마 도핑 챔버에 장착된 플래튼과,
    상기 챔버에 결합되어 상기 작업편 내에 주입하기 위한 소정의 도판트를 포함하는 이온화 가능한 가스의 가스원과,
    상기 플래튼과 이격되게 형성된 양극과,
    상기 작업편 근처에 플라즈마 외피를 갖고 상기 이온화 가능한 가스 중 양이온을 포함하는 플라즈마를 생성하도록 상기 작업편 내로의 주입을 위하여 상기 플라즈마 외피를 가로질러 상기 플래튼 쪽으로 상기 양이온을 가속시키는 고전압 펄스를 상기 음극 및 양극 사이에 인가하기 위한 펄스원과,
    상기 플라즈마 외피를 가로질러 가속된 상기 양이온의 샘플을 수집하기 위하여 상기 플래튼 근처에 배치된 패러디 컵을 포함하고,
    상기 샘플은 상기 작업편 내에 주입되는 양이온의 수를 나타내는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 패러디 컵 및 상기 플래튼을 동일한 전위로 유지시키기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 패러디 컵과 정렬된 개구를 갖는 도전성 마스크와, 상기 마스크 및 플래튼을 동일한 전위로 유지시키기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 패러디 컵으로의 입구는 작업편과 동일 평면인 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 패러디 컵은 상기 플래튼 둘레에 배치된 복수의 패러디 컵들을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 패러디 컵은 상기 플래튼 둘레에 배치된 환형의 패러디 컵을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 플래튼 둘레에 배치된 안내 링을 더 포함하며, 상기 패러디 컵은 상기 안내 링 내에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 플래튼 둘레에 배치된 안내 링을 더 포함하며, 상기 패러디 컵은 상기 안내 링 내에 배치된 복수의 패러디 컵들을 포함하며, 상기 측정된 전류에 대한 용량성 기여를 억제하기 위하여 상기 패러디 컵을 상기 안내 링과 동일한 전위로 유지시키기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 플래튼 둘레에 배치된 안내 링을 더 포함하며, 상기 패러디 컵은 상기 안내 링 내에 배치된 환형의 패러디 컵들을 포함하며, 상기 측정된 전류에 대한 용량성 기여를 억제하기 위하여 상기 환형의 패러디 컵을 상기 안내 링과 동일한 전위로 유지시키기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 패러디 컵은 단위 시간당 작업편 내로 주입되는 양이온의 수를 나타내는 전류를 발생시키며, 상기 장치는 시간에 대하여 상기 전류를 적분하고 작업편 내에 주입된 양이온 투여량을 나타내는 출력을 발생시키는 투여량 프로세싱 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 패러디 컵은 상기 플래튼 둘레에 배치된 복수의 패러디 컵들을 포함하며, 그 각각은 단위 시간당 작업편 내로 주입되는 양이온의 수를 나타내는 전류를 발생시키며, 상기 플라즈마 도핑 장치는 상기 복수의 패러디 컵들에 의해 발생된 전류들을 비교하고 그 비교치에 응답하여 상기 작업편 내로의 이온 주입의 균일도를 나타내는 출력을 발생시키는 투여량 균일도 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 패러디 컵의 입구에 배치된 전극과, 상기 패러디 컵으로부터 2차 전자의 탈출을 억제하고 그리고/또는 중공의 음극 방전을 억제하기 위하여 상기 전극을 바이어스시키는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 패러디 컵으로부터 2차 전자의 탈출을 억제하기 위하여 상기 패러디 컵의 입구에 배치된 적어도 하나의 자석을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 패러디 컵은 측면 치수를 갖는 입구를 포함하며, 상기 입구의 측면 치수는 상기 패러디 컵의 깊이에 비하여 작으며, 상기 패러디 컵의 기하학적 구성은 상기 입구를 통하여 2차 전자의 탈출을 억제하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 챔버는 도전성 벽을 가지며, 상기 양극 및 상기 챔버는 공통의 전위로 연결됨을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 챔버는 도전성 벽을 가지며, 상기 양극은 상기 챔버의 상기 도전성 벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  17. 제1항에 있어서, 상기 플래튼은 반도체 웨이퍼를 지지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  18. 제1항에 있어서, 상기 패러디 컵은 상기 양이온들을 수용하기 위한 입구 개구를 형성하는 입구 개구 플레이트, 상기 양이온들을 수집하는 이온 수집기 플레이트, 상기 입구 개구 플레이트 및 이온 수집기 플레이트 사이에 배치되는 2차 전자 수집기 링, 그리고 상기 이온 수집기 플레이트에 대해 양의 전위로 상기 2차 전자 수집기 링을 바이어스시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  19. 플라즈마 도핑 챔버, 작업편을 지지하기 위하여 상기 플라즈마 도핑 챔버에 장착된 플래튼, 상기 챔버에 결합된 이온화 가능한 가스의 가스원, 상기 플래튼과 이격되게 형성된 양극, 그리고 상기 작업편 근처에 플라즈마 외피를 갖는 플라즈마를 생성하도록 상기 음극 및 양극 사이에 고전압 펄스를 인가하기 위한 펄스원을 포함하며, 상기 플라즈마는 이온화 가능한 가스 중 양이온을 포함하고, 상기 고전압 펄스는 상기 작업편 내로의 주입을 위하여 상기 플라즈마 외피를 가로질러 상기 플래튼을 향해 상기 양이온을 가속시키는 플라즈마 도핑 장치에서, 상기 작업편 내로 주입된 상기 양이온 투여량을 모니터링하기 위한 방법에 있어서,
    상기 플래튼 근처에 배치된 패러디 컵으로 상기 플라즈마 외피를 가로질러 가속된 상기 양이온의 샘플을 수집하는 단계를 포함하고,
    상기 샘플은 상기 작업편 내로 주입되는 양이온의 수를 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 양이온 샘플을 수집하는 단계는 상기 플래튼 둘레에 배치된 복수의 패러디 컵에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제19항에 있어서, 상기 패러디 컵의 존재에 의해 발생되는 상기 플래튼에 임의의 교란을 최소화하기 위하여 상기 패러디 컵을 구성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제19항에 있어서, 상기 패러디 컵에 의해 생성된 전류를 상기 양이온에 응답하여 시간에 관하여 적분하고 작업편 내로 가공된 양이온 투여량을 나타내는 출력을 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제19항에 있어서, 상기 양이온 샘플을 수집하는 단계는 상기 플래튼 둘레에 배치된 복수의 패러디 컵으로 수행되고, 그 각각은 단위 시간당 작업편 내로 주입되는 양이온의 수를 나타내는 전류를 발생시키며, 그리고 상기 복수의 패러디 컵들에 의해 발생된 전류들을 비교하는 단계와 상기 작업편 내로의 이온 주입의 균일도를 나타내는 출력을 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제19항에 있어서, 상기 패러디 컵으로부터 2차 전자의 탈출을 억제하고 그리고/또는 중공의 음극 방전을 억제하기 위하여 상기 패러디 컵의 입구에 배치된 전극을 바이어스시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제19항에 있어서, 상기 양이온 샘플을 수집하는 단계는 상기 플래튼 둘레에 배치된 안내 링 내에 매립된 둘 이상의 패러디 컵으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제19항에 있어서, 상기 양이온 샘플을 수집하는 단계는 상기 플래튼 둘레에 배치된 안내 링 내에 매립된 환형의 패러디 컵으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제19항에 있어서, 상기 양이온 샘플을 수집하는 단계는 입구 개구 플레이트 내의 입구 개구로부터 이격된 이온 수집기 플레이트로 수행되고, 상기 입구 개구와 이온 수집기 플레이트 사이에 배치된 2차 전자 수집기 링을 사용하여 상기 이온 수집기 플레이트에 형성된 2차 전자가 상기 입구 개구를 향하여 이동하는 것을 방지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 플라즈마 도핑 챔버와,
    작업편을 지지하기 위하여 상기 플라즈마 도핑 챔버에 장착된 플래튼과,
    상기 챔버에 결합되어 상기 작업편 내에 주입하기 위한 소정의 도판트를 포함하는 이온화 가능한 가스의 가스원과,
    상기 작업편 근처에 플라즈마 외피를 갖고 상기 이온화 가능한 가스 중 양이온을 포함하는 플라즈마를 생성하도록 상기 작업편 내로의 주입을 위하여 상기 플라즈마 외피를 가로질러 상기 플래튼 쪽으로 상기 양이온을 가속시키는 고전압 펄스를 상기 챔버의 도전성 벽들과 플래튼 사이에 인가하기 위한 펄스원과,
    상기 플라즈마 외피를 가로질러 가속된 상기 양이온의 샘플을 수집하기 위하여 상기 플래튼 근처에 배치된 패러디 컵을 포함하고,
    상기 패러디 컵에 의해 수집된 상기 양이온 샘플은 상기 작업편 내로 주입되는 양이온 투여량을 나타내는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  29. 제28항에 있어서, 상기 패러디 컵은 상기 플래튼 둘레에 배치된 복수의 패러디 컵들을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  30. 제28항에 있어서, 상기 패러디 컵은 상기 플래튼 둘레에 배치된 환형의 패러디 컵을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  31. 제28항에 있어서, 상기 패러디 컵은 단위 시간당 작업편 내로 주입되는 양이온의 수를 나타내는 전류를 발생시키며, 상기 장치는 시간에 대하여 상기 전류를 적분하고 작업편 내에 주입된 양이온 투여량을 나타내는 출력을 발생시키는 투여량 프로세싱 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  32. 제28항에 있어서, 상기 패러디 컵은 상기 플래튼 둘레에 배치된 복수의 패러디 컵들을 포함하며, 그 각각은 단위 시간당 작업편 내로 주입되는 양이온의 수를 나타내는 전류를 발생시키며, 상기 플라즈마 도핑 장치는 상기 복수의 패러디 컵들에 의해 발생된 전류들을 비교하고 그 비교치에 응답하여 상기 작업편 내로의 이온 주입의 균일도를 나타내는 출력을 발생시키는 투여량 균일도 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  33. 제28항에 있어서, 상기 플래튼 둘레에 배치된 안내 링을 더 포함하며, 상기 패러디 컵은 상기 안내 링 내에 매립된 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  34. 제28항에 있어서, 상기 챔버 내에 상기 이온화 가능한 가스의 압력을 제어하기 위하여 상기 플라즈마 도핑 챔버에 결합된 폐쇄 루프 압력 제어 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  35. 제28항에 있어서, 상기 패러디 컵은 상기 양이온들을 수용하기 위한 입구 개구를 형성하는 입구 개구 플레이트, 상기 양이온들을 수집하는 이온 수집기 플레이트, 상기 입구 개구 플레이트 및 이온 수집기 플레이트 사이에 배치되는 2차 전자 수집기 링, 그리고 상기 이온 수집기 플레이트에 대해 양의 전위로 상기 2차 전자 수집기 링을 바이어스시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  36. 플라즈마 도핑 챔버와,
    음극을 구성하는 작업편을 지지하기 위하여 상기 플라즈마 도핑 챔버에 장착된 플래튼과,
    상기 플래튼과 이격된 형성된 양극과,
    상기 챔버에 결합되어 작업편 내에 주입하기 위한 소정의 도판트를 포함하는 이온화 가능한 가스의 가스원과,
    상기 플래튼과 양극 사이에 상기 이온화 가능한 가스의 양이온을 포함하는 플라즈마를 생성하는 수단과,
    상기 작업편 내로의 주입을 위하여, 플라즈마 외피를 가로질러 상기 플래튼 쪽으로 상기 양이온을 가속하도록 상기 플래튼과 상기 양극 사이에서 고전압을 인가하기 위한 펄스원과,
    상기 플라즈마 외피를 가로질러 가속된 상기 양이온의 샘플을 수집하기 위하여 상기 플래튼 근처에 배치된 패러디 컵을 포함하고,
    상기 샘플은 상기 작업편 내로 주입되는 양이온 투여량을 나타내는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  37. 제36항에 있어서, 상기 패러디 컵은 상기 플래튼 둘레에 배치된 복수의 패러디 컵들을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  38. 제36항에 있어서, 상기 패러디 컵은 상기 플래튼 둘레에 배치된 환형의 패러디 컵을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  39. 제36항에 있어서, 상기 플래튼 둘레에 배치된 안내 링을 더 포함하며, 상기 패러디 컵은 상기 안내 링 내에 매립된 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
  40. 제36항에 있어서, 상기 패러디 컵은 상기 양이온들을 수용하기 위한 입구 개구를 형성하는 입구 개구 플레이트, 상기 양이온들을 수집하는 이온 수집기 플레이트, 상기 입구 개구 플레이트 및 이온 수집기 플레이트 사이에 배치되는 2차 전자 수집기 링, 그리고 상기 이온 수집기 플레이트에 대해 양의 전위로 상기 2차 전자 수집기 링을 바이어스시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑 장치.
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