KR20040030329A - 플라즈마도핑방법 및 플라즈마도핑장치 - Google Patents

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Abstract

안정된 저농도 도핑이 가능한 플라즈마도핑방법을 실현하기 위해서, 진공용기 내에 가스공급장치로부터 소정의 가스를 도입하면서 펌프로 배기를 하여, 진공용기 내를 소정의 압력으로 유지하면서, 고주파전원에 의해 고주파전력을 코일에 인가한다. 진공용기 내에 플라즈마가 발생한 후, 진공용기내의 압력을 내려, 시료전극 상에 놓여진 기판에 대하여 저농도의 플라즈마도핑을 한다. 또한 진공용기내의 압력을 서서히 내리는 동시에 고주파전력을 서서히 증가하여, 시료전극 상에 놓여진 기판에 대하여 저농도의 플라즈마도핑을 한다. 또한, 시료전극에 공급하는 고주파전력의 진행파 전력 Pf 및 반사파 전력 Pr를 고속으로 샘플링하여, 전력차 Pf-Pr를 시간으로 적분한 값이 미리 설정한 값에 달한 시점에서 고주파전력의 공급을 정지한다.

Description

플라즈마도핑방법 및 플라즈마도핑장치{Plasma doping method and plasma doping apparatus}
본 발명은, 반도체기판 등의 고체시료의 표면에 불순물을 도핑(첨가)하는 플라즈마도핑방법 및 이 방법을 실시하는 장치에 관한 것이다.
불순물을 고체시료의 표면에 도핑하는 기술로서는, 예컨대, US 특허 제 4912065호에 나타나 있는 바와 같이, 불순물을 이온화하여 저에너지로 고체내에 도핑하는 플라즈마 도핑법이 알려져 있다.
이하에 도 14를 참조하면서 종래의 불순물의 도핑방법으로서의 플라즈마 도핑법에 대하여 설명한다.
도 14는, 종래의 플라즈마 도핑법에 사용되는 플라즈마 도핑장치의 개략구성을 나타내고 있다. 도 14에 있어서, 진공용기(100) 내에, 실리콘 기판 등의 시료 (109)를 얹어 놓기 위한 시료전극(106)이 설치된다. 진공용기(100)의 외부에, 원하는 원소를 함유한 도핑원료가스, 예를 들면 B2H6를 공급하기 위한 가스공급장치 (102) 및 진공용기(100)내의 내부를 감압하는 펌프(103)가 설치되어, 진공용기 (100)내를 소정의 압력으로 유지할 수 있다. 마이크로파 도파관(119)으로부터, 유전체창으로서의 석영판(107)을 거쳐, 진공용기(100)내에 마이크로파가 방사된다. 이 마이크로파와, 전자석(114)에 의해서 형성되는 직류자장의 상호작용에 의해, 진공용기(100)내의 점선(120)으로 나타내는 영역에 전자사이클로트론 공명플라즈마가 형성된다. 시료전극(106)에는, 콘덴서(121)를 통해 고주파전원(110)이 접속되어, 시료전극(106)의 전위를 제어할 수 있도록 되어 있다.
이러한 구성의 플라즈마도핑장치에 있어서, 가스공급장치(102)로부터 도입된 도핑원료가스, 예를 들어 B2H6는, 마이크로파 도파관(119) 및 전자석(114)으로 이루어진 플라즈마발생수단에 의해서 플라즈마화되어, 플라즈마(120)내의 붕소이온이 고주파전원(110)에서 주어지는 전위에 의해서 시료(109)의 표면에 도핑된다.
이렇게 해서 불순물이 도핑된 시료{반도체기판 등의 피가공물(work)}(109)의 위에 별도의 공정으로 금속배선층을 형성한 후, 소정의 산화 분위기 내에서 금속배선층 위에 얇은 산화막을 형성한다. 그 후, CVD장치 등에 의해 시료(109)상에 게이트전극을 형성하면, 예컨대 MOS 트랜지스터를 얻을 수 있다.
B2H6등의 도핑원료가스와 같이, 실리콘 기판 등의 시료에 도핑되면 전기적으로 활성이 되는 불순물을 함유한 가스는, 일반적으로 인체에 대하여 위험성이 높다고 하는 문제가 있다.
플라즈마 도핑법에서는, 도핑원료가스에 함유되어 있는 물질의 전부가 시료에 도핑된다. B2H6으로 된 도핑원료가스를 예로 들어 설명하면, 시료에 도핑되었을 때에 유효한 불순물은 붕소뿐이지만, 수소도 동시에 시료내에 도핑된다. 수소가 시료내에 도핑되면, 에피텍샬성장(epitaxial growth) 등, 연속적으로 이루어지는 열처리시에 시료에 격자 결함이 생긴다고 하는 문제가 있다.
그래서, 이러한 문제를 피하기 위해서 시료에 도핑되면 전기적으로 활성이 되는 불순물을 함유한 불순물고체를 진공용기 내에 배치하는 동시에, 진공용기 내에서 불활성가스의 플라즈마를 발생시키는 방법이 있다. 이 방법으로는, 불활성가스의 플라즈마의 이온에 의해 불순물고체를 스퍼터링(sputtering)함으로써, 불순물고체로부터 불순물을 분리시킬 수 있다. 이 방법이 일본 특허공개공보 평09- 115851호에 기재되어 있다. 이 방법으로 도핑을 하는 플라즈마도핑장치의 구성을 도 15에 나타낸다. 도 15에 있어서, 진공용기(100)내에, 실리콘 기판으로 된 시료 (109)를 얹어 놓기 위한 시료전극(106)이 설치된다. 진공용기(100)의 외부에, 불활성가스를 공급하기 위한 가스공급장치(102) 및 진공용기(100)의 내부를 감압하는 펌프(103)가 설치되고, 진공용기(100)내를 소정의 압력으로 유지할 수 있다. 마이크로파 도파관(119)으로부터, 유전체창으로서의 석영판(107)을 거쳐, 진공용기 (100)내에 마이크로파가 방사된다. 이 마이크로파와, 전자석(114)으로부터 형성되는 직류자장의 상호작용에 의해, 진공용기(100)내의 점선(120)으로 나타내는 영역에 전자사이클로트론 공명 플라즈마가 형성된다. 시료전극(106)에는, 콘덴서(121)를 통해 고주파전원(110)이 접속되어, 시료전극(106)의 전위를 제어할 수 있도록 되어 있다. 불순물원소, 예를 들어 붕소를 함유한 불순물고체(122)가, 고체유지대 (123)상에 설치되고, 고체유지대(123)의 전위가, 콘덴서(124)를 통해 접속된 고주파전원(125)에 의해서 제어된다.
상기의 도 15의 구성의 플라즈마도핑장치에 있어서, 가스공급장치(102)로부터 도입된 불활성가스, 예를 들면 아르곤(Ar)은, 마이크로파 도파관(119) 및 전자석(114)으로 이루어지는 플라즈마발생수단에 의해서 플라즈마화된다. 불순물고체 (122)로부터 스퍼터링에 의해 플라즈마 중에 튀어나간 불순물원소의 일부는 이온화되어, 시료(109)의 표면에 도핑된다.
그러나, 상기 도 14 및 도 15에 나타낸 종래의 양 방식으로는 저농도 도핑을 안정적으로 할 수 없고, 처리의 재현성이 나쁘다고 하는 문제점이 있었다. 도핑원료가스를 사용하여 저농도 도핑을 하기 위해서는, 진공용기내의 압력을 내림과 동시에, 도핑원료가스의 분압(分壓)을 작게 할 필요가 있다. 이 경우, 일반적으로는 도핑원료가스를 불활성가스인 헬륨으로 희석한다. 헬륨이온은 스퍼터링 수율 (yield)이 작기 때문에, 시료에의 이온조사 손상이 작다고 하는 이점이 있기 때문이다. 그런데, 헬륨가스는 저압력에서는 방전이 시작하기 어렵다고 하는 문제점이 있었기 때문에, 원하는 저농도 도핑조건으로 처리하는 것이 어려웠다.
도핑원료가스를 사용하지 않고서 불순물고체를 사용하여 저농도 도핑을 하는 데에 있어서도, 진공용기내의 압력을 내릴 필요가 있다. 불활성가스로서 아르곤을 사용하는 경우에는, 헬륨에 비하면 저압력에서도 방전을 시작하기 쉽지만, 원하는 저농도 도핑조건으로 처리하는 것이 어려웠다. 이 점에 대해서는, 도핑원료가스를 사용하는 경우도 마찬가지다.
한편, 일본 특허공개공보 2000-309868호에는, 아르곤가스를 사용한 스퍼터링 장치에 있어서, 플라즈마의 착화 스텝(generating step)에 있어서의 진공용기내의 압력을 높게 하여 착화를 확실하게 하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 이 방법으로는 압력을 높게 하기 위해서 플라즈마도핑과 같은, 불순물에 극히 민감한 프로세스에 그대로 적용할 수는 없다.
착화성을 개선하기 위해서는, 착화 스텝에 있어서의 진공용기내의 압력을 높게 하는 등으로서, 착화 스텝의 방전에 적합한 조건으로 하고, 도핑 스텝에서는 압력을 내리는 등의 방전조건을 바꾸는 것이 효과적이다. 그러나, 압력 등을 변화시키면, 방전 임피던스의 변화가 크다. 그 때문에 고주파전력의 임피던스 정합을 하기 위한 정합회로의 동작이 임피던스변화에 따르지 않고, 큰 반사전력이 발생하여 버린다고 하는 문제점이 있었다. 즉, 일반적인 정합회로는 2개의 가변 임피던스소자로서, 모터구동의 가동부를 가진 가변콘덴서(마이크로파를 사용하는 경우는 스터브)를 사용하고 있다. 그 때문에 모터가 가동부를 회전시켜 임피던스를 변화시키는 데 1초 이상의 시간을 요한다. 반사전력의 발생은, 처리의 재현성을 저하시키는 원인이 된다. 또한, 노이즈의 발생의 원인이 되는 경우도 있어, 기기의 오동작을 초래하는 경우도 있었다. 때로는, 가변콘덴서(또는 스터브)의 회전(운동)이 소정위치에 정지하지 않고 지나쳐 버려, 플라즈마가 소멸하여 버리는 경우도 있었다.
플라즈마 도핑장치에 마이크로파나 고주파전력을 공급하면, 고주파전원과, 플라즈마발생장치 또는 시료전극과의 사이에 설치된 정합회로가 동작하기 시작한다. 그러나, 정합회로가 동작하여 반사파를 충분히 억제할 때까지는, 일반적으로 수백 msec에서 수 sec를 요한다. 더구나, 이 시간이 처리를 반복할 때마다 변동되어 버리기 때문에, 제어성 및 재현성이 나쁘고, 원하는 도핑농도를 안정적으로 얻는 것이 어렵다.
특히, 도핑농도가 1×1O11atm/㎠에서 1×1O15atm/㎠인 저농도 도핑을 하는 경우는, 처리시간이 수sec에서 수십sec로 짧기 때문에, 반사파의 불균일의 영향이 크다.
플라즈마 도핑처리의 중간에, 플라즈마를 발생시킨 상태에서 가스의 종류, 가스유량, 압력, 고주파전력 등의 제어파라미터 중 적어도 하나의 제어파라미터를 변화시키는 경우에는, 제어파라미터를 변화시킨 시점에서 큰 반사파가 생기기 쉽다. 이 반사파의 불균일이 크기 때문에, 도핑농도의 제어성 및 재현성이 나빠진다.
본 발명은, 안정된 저농도 도핑이 가능한 플라즈마도핑방법 및 그 방법을 실시하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 내지 제 4 실시예의 플라즈마도핑방법으로 도핑을 하기 위해서 사용하는 플라즈마도핑장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 내지 제 4 실시예의 플라즈마도핑방법으로 플라즈마도핑을 하기 위해서 사용하는 플라즈마도핑장치의 다른 예의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 내지 제 4 실시예의 플라즈마도핑방법으로 플라즈마도핑을 하기 위해서 사용하는 플라즈마도핑장치의 다른 예의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 내지 제 4 실시예의 플라즈마도핑방법으로 플라즈마도핑을 하기 위해서 사용하는 플라즈마도핑장치의 다른 예의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 1 내지 제 4 실시예의 플라즈마도핑방법으로 플라즈마도핑을 하기 위해서 사용하는 플라즈마도핑장치의 다른 예의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제 5 실시예의 플라즈마도핑방법으로 도핑을 하기 위해서 사용하는 플라즈마도핑장치의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제 5 실시예에서 사용하는 플라즈마발생장치용 정합회로의 회로도이다.
도 8은 본 발명의 제 5 실시예에서의 동작을 나타내는 타이밍챠트이다.
도 9는 본 발명의 제 6 실시예에서의 동작을 나타내는 타이밍챠트이다.
도 10은 본 발명의 제 7 실시예의 플라즈마도핑방법으로 도핑을 하기 위해서 사용하는 플라즈마도핑장치의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제 7 실시예에서의 동작을 나타내는 타이밍 챠트이다.
도 12는 본 발명의 제 7 실시예에서의, 샘플링간격과 도핑농도의 불균일의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 제 7 실시예에서 사용한 플라즈마도핑장치의 다른 예의 단면도이다.
도 14는 종래의 플라즈마도핑방법을 실시하는 플라즈마도핑장치의 단면도이다.
도 15는 종래의 다른 플라즈마도핑방법을 실시하는 플라즈마도핑장치의 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 진공용기 2 : 가스공급장치
3 : 배기장치(터보분자펌프) 4 : 압력조절밸브
5 : 고주파전원 6 : 시료전극
7 : 유전체창 8 : 플라즈마발생장치(코일)
9 : 시료(실리콘기판) 10 : 고주파전원
11 : 배기구 15 : 바이어스전극
17 : 밴드패스 필터 18 : 반사파계
20 : 반사파검출회로
본 발명의 플라즈마도핑방법은, 시료 또는 시료표면의 막 안에 불순물을 첨가(도핑)하는 플라즈마도핑방법으로서, 진공용기내의 시료전극에 시료를 얹어 놓는 제 1의 스텝, 진공용기 내에 가스를 공급하면서 진공용기 내를 배기하여, 진공용기 내를 제 1의 압력으로 제어하면서, 플라즈마원에 고주파전력을 공급함으로써, 진공용기 내에 플라즈마를 발생시키는 제 2의 스텝, 및 플라즈마를 발생시킨 상태로, 진공용기 내를 제 1의 압력보다도 낮은 제 2의 압력으로 제어하는 제 3의 스텝을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 플라즈마도핑방법에 의하면, 진공용기 내에 가스를 공급하면서 진공용기 내를 배기하여, 진공용기 내를 제 1의 압력으로 제어하면서 플라즈마원에 고주파전력을 공급함으로써, 플라즈마를 발생시킨다. 이 상태로, 진공용기 내를 제 1의 압력보다도 낮은 제 2의 압력으로 제어한다. 이에 따라, 안정된 저농도 도핑이 가능해진다.
본 발명의 다른 관점의 플라즈마도핑방법은, 시료 또는 시료표면의 막 내에 불순물을 첨가하는 플라즈마도핑방법으로서, 진공용기내의 시료전극에 시료를 얹어 놓는 제 1의 스텝과, 진공용기 내에 헬륨 이외의 불활성가스를 함유한 가스를 공급하면서 진공용기 내를 배기하여, 진공용기 내를 제 1의 압력으로 제어하면서, 플라즈마원에 고주파전력을 공급함으로써, 진공용기 내에 플라즈마를 발생시키는 제 2의 스텝과, 플라즈마를 발생시킨 상태로, 진공용기 내에 헬륨을 함유한 가스를 공급하면서 진공용기 내를 배기하고, 진공용기 내를 제 2의 압력으로 제어하는 제 3의 스텝을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 플라즈마도핑방법에 의하면, 진공용기 내에 헬륨이외의 불활성가스를 함유한 가스를 공급하면서 진공용기 내를 배기하여, 진공용기 내를 제 1의 압력으로 제어하면서, 플라즈마원에 고주파전력을 공급하여 플라즈마를 발생시킨다. 이 상태로, 진공용기 내에 헬륨을 함유한 가스를 공급하면서 진공용기 내를 배기하여, 진공용기 내를 제 2의 압력으로 제어한다. 이에 따라, 안정된 저농도 도핑이 가능해진다.
본 발명의 다른 관점의 플라즈마도핑방법은, 시료 또는 시료표면의 막 내에불순물을 첨가하는 플라즈마도핑방법으로서, 진공용기 내의 시료전극에 시료를 얹어 놓는 제 1의 스텝과, 진공용기 내에 가스를 공급하면서 진공용기 내를 배기하여, 진공용기 내를 제 1의 압력으로 제어하면서, 플라즈마원에 고주파전력을 공급함으로써, 진공용기 내에 플라즈마를 발생시키는 제 2의 스텝과, 플라즈마를 발생시킨 상태로, 진공용기 내를 제 2의 압력으로 제어하면서, 제 2의 스텝에 있어서의 고주파전력보다도 큰 고주파전력을 플라즈마원에 공급하는 제 3의 스텝을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 플라즈마도핑방법에 의하면, 진공용기 내에 가스를 공급하면서 진공용기 내를 배기하여, 진공용기 내를 제 1의 압력으로 제어하면서, 플라즈마원에 고주파전력을 공급함으로써 플라즈마를 발생시킨다. 이 상태로, 진공용기 내를 제 2의 압력으로 제어하여, 플라즈마발생시의 고주파전력보다도 큰 고주파전력을 플라즈마원에 공급한다. 이에 따라, 안정된 저농도 도핑이 가능해진다.
본 발명의 다른 관점의 플라즈마도핑방법은, 시료 또는 시료표면의 막내에 불순물을 첨가하는 플라즈마도핑방법으로서, 진공용기내의 시료전극에 시료를 얹어 놓는 제 1의 스텝과, 진공용기 내에 도핑원료가스를 함유하지 않은 가스를 공급하면서 진공용기 내를 배기하여, 진공용기 내를 제 1의 압력으로 제어하면서, 플라즈마원에 고주파전력을 공급함으로써, 진공용기 내에 플라즈마를 발생시키는 제 2의 스텝과, 플라즈마를 발생시킨 상태로, 진공용기 내에 도핑원료가스를 함유한 가스를 공급하면서 진공용기 내를 배기하여, 진공용기 내를 제 1의 압력과 다른 제 2의 압력으로 제어하는 제 3의 스텝을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 플라즈마도핑방법에 의하면, 진공용기 내에 도핑원료가스를 함유하지 않은 가스를 공급하면서 진공용기 내를 배기하여, 진공용기 내를 제 1의 압력으로 제어하면서 플라즈마원에 고주파전력을 공급하여 플라즈마를 발생시킨다. 이 상태로, 진공용기 내에 도핑원료가스를 함유한 가스를 공급하면서 진공용기 내를 배기하여, 진공용기 내를 제 2의 압력으로 제어한다. 이에 따라, 안정된 저농도 도핑이 가능해진다.
본 발명의 다른 관점의 플라즈마도핑방법은, 플라즈마발생장치를 구비한 진공용기 내에 가스를 공급하면서 진공용기 내를 배기하여, 2개의 가변 임피던스소자로서 가동부를 갖지 않은 토로이달 코어(toroidal core)를 구비한 플라즈마발생장치용 정합회로를 통해 플라즈마발생장치에 고주파전력을 공급한다. 이에 따라, 진공용기 내에 플라즈마를 발생시켜, 진공용기내의 시료전극에 놓여진 시료 또는 시료표면의 막내에 불순물을 첨가한다. 이 플라즈마도핑방법에서는, 플라즈마를 발생시킨 상태로 가스의 종류, 가스유량, 압력, 고주파전력의 크기의 제어파라미터 중 적어도 하나의 제어파라미터를 변화시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 플라즈마도핑방법에 의하면, 2개의 가변 임피던스소자로서 토로이달 코어를 구비한 플라즈마발생장치용 정합회로를 통해 플라즈마발생장치에 고주파전력을 공급한다. 이에 따라, 진공용기 내에 플라즈마를 발생시킨다. 이 상태로 가스의 종류, 가스유량, 압력, 고주파전력의 크기 중 적어도 하나의 제어파라미터를 변화시킨다. 그에 따라, 안정된 저농도 도핑이 가능하고, 재현성에 뛰어난 플라즈마도핑이 이루어진다.
본 발명의 다른 관점의 플라즈마도핑방법은, 플라즈마발생장치를 구비한 진공용기 내에 가스를 공급하면서 진공용기 내를 배기하여, 플라즈마발생장치용 정합회로를 통해 플라즈마발생장치에 고주파전력을 공급한다. 이에 따라, 진공용기 내에 플라즈마를 발생시켜, 진공용기내의 시료전극에 놓여진 시료 또는 시료표면의 막 내에 불순물을 첨가한다. 이 플라즈마도핑방법에서는 플라즈마를 발생시킨 상태로 가스의 종류, 가스유량, 압력, 고주파전력의 크기 중 적어도 하나의 제어파라미터를 변화시킨다. 본 발명은 제어파라미터의 변화를 1초에서 5초에 걸쳐 행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 플라즈마도핑방법에 의하면, 플라즈마발생장치용 정합회로를 통하여 플라즈마발생장치에 고주파전력을 공급하여 진공용기 내에 플라즈마를 발생시켜 시료표면에 불순물을 첨가한다. 플라즈마를 발생시킨 상태로 가스의 종류, 가스유량, 압력, 고주파전력의 크기 중 적어도 하나의 제어파라미터를 1초에서 5초에 걸쳐 변화시킨다. 이에 따라, 안정된 저농도 도핑이 가능하고, 재현성에 뛰어난 플라즈마도핑이 가능해진다.
본 발명의 플라즈마도핑방법은, 플라즈마 도핑처리의 중간에, 플라즈마를 발생시킨 상태로 가스의 종류, 가스유량, 압력, 고주파전력의 크기의 제어파라미터 중 적어도 하나의 제어파라미터를 변화시키는 경우에 특히 효과적이다.
본 발명의 다른 관점의 플라즈마도핑방법은, 플라즈마발생장치를 구비한 진공용기 내에 가스를 공급하면서 진공용기 내를 배기한다. 플라즈마발생장치에 고주파전력을 공급함으로써, 진공용기 내에 플라즈마를 발생시켜, 진공용기내의 시료전극에 고주파전력을 공급하고, 시료전극에 놓여진 시료 또는 시료표면의 막 내에 불순물을 첨가한다. 플라즈마발생장치 또는 시료전극에 공급하는 고주파전력의 진행파 전력(forward power)을 Pf, 반사파 전력(reflected power)을 Pr로 하였을 때, 진행파전력 Pf와 반사파전력 Pr과의 차이인 전력차 Pf-Pr의 값을 1msec에서 100msec 간격으로 샘플링하여, 전력차 Pf-Pr를 시간으로 적분한 값이 미리 설정한 값에 달한 시점에서, 고주파전력의 공급을 정지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 플라즈마도핑방법에 의하면, 플라즈마발생장치 또는 시료전극에 공급하는 고주파전력의 진행파 전력을 Pf, 반사파 전력을 Pr로 하였을 때, 전력차 Pf-Pr의 값을 1msec에서 100msec 간격으로 샘플링한다. 샘플링한 전력차 Pf-Pr를 시간으로 적분한 값이 미리 설정한 값에 달한 시점에서, 고주파전력의 공급을 정지한다. 이에 따라, 도핑농도의 제어성, 재현성에 뛰어난 플라즈마도핑이 가능해진다.
본 발명의 플라즈마도핑장치는, 진공용기와, 진공용기 내에 가스를 공급하기 위한 가스공급장치와, 진공용기 내를 배기하기 위한 배기장치와, 진공용기 내를 소정의 압력으로 제어하기 위한 압력조절밸브와, 진공용기 내에 시료를 얹어 놓기 위한 시료전극과, 플라즈마발생장치와, 2개의 가변 임피던스소자로서 가동부를 갖지 않은 토로이달 코어를 구비한 플라즈마발생장치용 정합회로와, 플라즈마발생장치에 플라즈마발생장치용 정합회로를 통해 고주파전력을 공급하는 고주파전원을 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 플라즈마도핑장치에 의하면, 플라즈마발생장치에 2개의 가변 임피던스소자로서 가동부를 갖지 않은 토로이달 코어를 구비한 플라즈마발생장치용 정합회로를 통해 고주파전력을 공급하는 고주파전원을 구비함으로써, 안정된 저농도도핑이 가능한 동시에, 재현성에 뛰어난 플라즈마도핑을 할 수 있다.
본 발명의 다른 관점의 플라즈마도핑장치는, 진공용기와, 진공용기 내에 가스를 공급하는 가스공급장치와, 진공용기 내를 배기하는 배기장치와, 진공용기 내를 소정의 압력으로 제어하는 압력조절밸브와, 진공용기 내에 시료를 얹어 놓은 시료전극과, 플라즈마발생장치와, 플라즈마발생장치에 고주파전력을 공급하는 고주파전원과, 시료전극에 고주파전력을 공급하는 고주파전원을 구비하고 있다. 이 플라즈마도핑장치는 더욱, 플라즈마발생장치 또는 시료전극에 공급하는 고주파전력의 진행파 전력을 Pf, 반사파 전력을 Pr로 하였을 때, 전력차 Pf-Pr의 값을 1msec에서 100msec 간격으로 샘플링하는 샘플러와, 전력차 Pf-Pr를 시간으로 적분한 값이 미리 설정한 값에 달한 시점에서 고주파전력의 공급을 정지하는 제어장치를 구비하고 있다.
본 발명의 플라즈마도핑장치에 의하면, 전력차 Pf-Pr의 값을 1msec에서 100msec 간격으로 샘플링하여, 전력차 Pf-Pr를 시간으로 적분한 값이 미리 설정한 값에 달한 시점에서 고주파전력의 공급을 정지함으로써, 도핑농도의 제어성, 재현성에 뛰어난 플라즈마도핑장치를 제공할 수가 있다.
[실시예]
본 발명의 플라즈마도핑방법의 바람직한 실시예를 도 1에서 도 13을 참조하여 상세히 설명한다.
《제 1 실시예》
이하에 본 발명의 제 1 실시예의 플라즈마도핑방법에 대하여, 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은, 본 발명의 제 1 실시예의 플라즈마도핑방법에 의해서 도핑을 하기 위해서 사용하는 플라즈마도핑장치의 단면도를 나타낸다. 도 1에 있어서, 진공용기(1)의 내부공간(1a)에, 가스공급장치(2)로부터 소정의 가스를 도입하면서, 배기장치로서의 터보분자펌프(3)에 의해 배기를 한다. 압력조절밸브(4)에 의해 진공용기(1)의 내부공간(1a)을 소정의 압력으로 유지하면서, 고주파전원(5)으로부터 13.56MHz의 고주파전력을, 시료전극(6)에 대향한 유전체창(7)의 근방에 설치된 나선형상의 코일(8)에 공급한다. 이에 따라, 진공용기(1)의 내부공간(1a)에 유도결합형 플라즈마가 발생하여, 시료전극(6) 위에 놓여진 시료(피가공물)로서의 실리콘 기판(9)에 플라즈마도핑처리를 할 수 있다. 시료전극(6)에 고주파전력을 공급하기 위한 고주파전원(10)을 설치하여, 고주파전력을 공급함으로써, 기판(9)이 플라즈마에 대하여 음의 전위를 갖도록, 시료전극(6)의 전위를 제어할 수가 있다. 터보분자펌프(3) 및 배기구(11)는, 시료전극(6)의 바로 아래에 배치되어 있다. 압력조절밸브(4)는, 시료전극(6)의 바로 아래에, 또한, 터보분자펌프(3)의 바로 위에 위치하는 승강압력밸브이다. 시료전극(6)은, 4개의 지지체(12)에 의해, 진공용기(1)내에 고정되어 있다. 유전체창(7)의 주성분은 석영 유리이다.
피가공물인 실리콘 기판(9)을 시료전극(6)에 얹어 놓은 후, 시료전극(6)의 온도를 10℃로 유지하면서, 진공용기(1)내에 헬륨가스를 50sccm (standard cc/min), 및 도핑원료가스로서의 디보란(B2H6)가스를 3sccm 공급한다. 진공용기(1)내의 압력을 제 1의 압력인 3Pa(Pascal)로 제어하면서 플라즈마원으로서의 코일(8)에 800W의 상기 13.56MHz의 고주파전력을 공급하면, 진공용기(1)내에 플라즈마가 발생 (generate)한다. 플라즈마가 발생하고 나서 1초 후에, 플라즈마를 발생시킨 상태로, 진공용기(1)내의 압력을 상기 제 1의 압력(3Pa)보다도 낮은 제 2의 압력 (0.3Pa)으로 제어한다. 플라즈마가 안정되고 나서, 7초간 시료전극(6)에 200W의 상기 13.56MHz의 고주파전력을 공급한다. 이상의 프로세스에 의해, 기판(9)의 표면근방에 붕소를 도핑할 수가 있었다. 시료로서의 기판(9)의 표면에 형성한 막에 도핑하는 경우도 마찬가지로 가능하다. 도핑농도는, 2.5×1O13atm/㎠이었다.
이상과 같이, 플라즈마의 착화(generate)를, 도핑 프로세스의 압력(0.3Pa)보다도 높은 압력(3Pa)으로 하는 것에 의해, 안정된 착화를 실현하는 것이 가능해진다. 상기의 프로세스에서는, 시료에 부여하는 이온 조사(照射)의 손상이 작은 헬륨주체의 플라즈마를 사용하고 있기 때문에, 저농도 도핑을 안정적으로 할 수 있다.
다른 방법으로서 플라즈마를 착화시키는 스텝에 있어서, 헬륨 이외의 불활성가스를 공급하는 것이 바람직하다. 헬륨 이외의 불활성가스는, 헬륨보다도 착화의 하한압력이 낮다. 따라서 헬륨 이외의 불활성가스를 사용하면, 보다 낮은 압력으로 플라즈마를 착화할 수 있다고 하는 이점이 있다.
다른 방법으로서 플라즈마를 착화시키는 스텝에 있어서, 플라즈마원에 공급하는 고주파전력을 작게 하는 것도 바람직하다. 이 경우, 착화 스텝에 있어서 기판(9)에 주는 악영향을 적게 할 수 있다고 하는 이점이 있다.
다른 방법으로서 플라즈마를 착화시키는 스텝에 있어서, 진공용기 내에 도핑원료가스를 공급하지 않도록 하는 것도 바람직하다. 이 경우도, 착화 스텝에 있어서 기판(9)에 주는 악영향을 적게 할 수 있다고 하는 이점이 있다.
《제 2 실시예》
다음에, 본 발명의 제 2 실시예의 플라즈마도핑방법에 대하여, 제 1 실시예와 같이 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1에 대하여 제 1 실시예에서 설명한 사항은 제 2 실시예에도 마찬가지로 원용한다.
도 1의 플라즈마도핑장치의 구성 및 기본적인 동작은, 본 발명의 상기 제 1 실시예에 있어서 자세히 설명하였기 때문에, 중복하는 설명을 생략한다.
도 1에 있어서, 기판(9)을 시료전극(6)에 얹어 놓은 후, 시료전극(6)의 온도를 10℃로 유지하면서, 진공용기(1)내에 아르곤가스를 50sccm, 및 도핑원료가스로서의 디보란(B2H6)가스를 3sccm 공급한다. 진공용기(1)내의 압력을 제 1의 압력의 0.8Pa로 제어하면서, 플라즈마원으로서의 코일(8)에 800W의 고주파전력을 공급하면, 진공용기(1)내에 플라즈마가 발생한다. 플라즈마가 발생하고 나서 1초 후에, 플라즈마를 발생시킨 상태로, 진공용기(1)내에 헬륨가스를 50sccm 공급한다. 또한 아르곤가스의 공급을 정지한다. 플라즈마가 안정된 후에 7초간 시료전극(6)에 200W의 고주파전력을 공급한다. 이에 따라, 기판(9)의 표면근방에 붕소를 도핑할수가 있었다. 도핑농도는 4.2×1O13atm/㎠이었다.
이상과 같이, 플라즈마의 착화를, 헬륨 이외의 불활성가스(아르곤)를 함유한 가스로 함으로써, 안정된 착화를 실현할 수가 있다. 시료에의 이온조사 손상이 작은 헬륨 주체의 플라즈마를 사용하는 것으로, 저농도 도핑을 안정적으로 할 수 있게 되었다.
본 발명의 제 2 실시예에 있어서, 플라즈마를 착화시키는 스텝에 있어서 진공용기내의 압력을 크게 하는 것이 바람직하다. 그에 따라, 플라즈마의 착화를 보다 안정적으로 할 수 있다고 하는 이점이 있다.
플라즈마를 착화시키는 스텝에 있어서, 플라즈마원에 공급하는 고주파전력을 작게 하는 것이 바람직하다. 그에 따라, 착화 스텝에 있어서의 시료에의 악영향을 적게 할 수 있다고 하는 이점이 있다.
플라즈마를 착화시키는 스텝에 있어서, 진공용기 내에 도핑원료가스를 공급하지 않도록 하는 것이 바람직하다. 그에 따라, 착화 스텝에 있어서 시료로 주는 악영향을 적게 할 수 있다고 하는 이점이 있다.
《제 3 실시예》
다음에, 본 발명의 제 3 실시예의 플라즈마 도핑방법에 대하여, 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1에 대하여 제 1 실시예에서 설명한 사항은 제 3 실시예에도 마찬가지로 원용한다.
도 1에 나타낸 플라즈마도핑장치의 구성 및 기본적인 동작에 대해서는, 상기제 1 실시예에 있어서 자세히 설명하였기 때문에, 중복하는 설명을 생략한다.
도 1에 있어서 기판(9)을 시료전극(6)에 얹어 놓은 후, 시료전극(6)의 온도를 10℃로 유지하면서, 진공용기(1)내에 헬륨가스를 50sccm, 및 도핑원료가스로서의 디보란(B2H6)가스를 3sccm 공급한다. 진공용기(1)내의 압력을 제 1의 압력의 3Pa로 제어하면서, 플라즈마원으로서의 코일(8)에 100W의 고주파전력을 공급하여, 진공용기(1)내에 플라즈마를 발생시켰다. 플라즈마가 착화하고 나서 1초 후에, 플라즈마를 발생시킨 상태로, 진공용기(1)내를 제 1의 압력(3Pa)보다도 낮은 제 2의 압력인 0.3Pa으로 제어하여, 코일에 공급하는 고주파전력을 800W까지 증가시킨다. 플라즈마가 안정된 후에, 7초간 시료전극에 200W의 고주파전력을 공급함으로써, 기판(9)의 표면근방에 붕소를 도핑할 수가 있었다. 도핑농도는 2.4×1O13atm/㎠이었다.
이상과 같이, 플라즈마의 착화를 하는 스텝에 있어서, 플라즈마원에의 공급전력을 작게 하면, 착화 스텝에 있어서 시료에 주는 악영향을 적게 할 수 있다. 이에 따라 시료에의 이온조사 손상이 작은 헬륨주체의 플라즈마를 사용하여, 저농도 도핑을 안정적으로 할 수 있게 되었다.
본 발명의 제 3 실시예에 있어서 제 2의 압력이 제 1의 압력과 같은 것은 바람직하다. 이 경우에 있어서도, 착화 스텝에 있어서 시료에 주는 악영향을 적게 할 수 있다.
플라즈마를 착화시키는 스텝에 있어서 헬륨 이외의 불활성가스를 공급하는것은 바람직하다. 헬륨 이외의 불활성가스는, 일반적으로 헬륨보다도 착화하한압력이 낮기 때문에, 보다 낮은 압력으로 플라즈마를 착화할 수 있다고 하는 이점이 있다.
플라즈마를 착화시키는 스텝에 있어서, 진공용기 내에 도핑원료가스를 공급하지 않도록 하는 것도 바람직하다. 그에 따라, 착화 스텝에 있어서의 시료에의 악영향을 적게 할 수 있다고 하는 이점이 있다.
《제 4 실시예》
다음에, 본 발명의 제 4 실시예의 플라즈마도핑방법에 대하여, 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1에 대하여 제 1 실시예에서 설명한 사항은 제 4 실시예에도 마찬가지로 원용한다.
도 1에 나타낸 플라즈마도핑장치의 구성 및 기본적인 동작에 있어서는, 상기 제 1 실시예에서 자세히 설명하였기 때문에, 중복하는 설명을 생략한다.
도 1에 있어서 기판(9)을 시료전극(6)에 얹어 놓은 후, 시료전극(6)의 온도를 10℃로 유지하면서, 진공용기(1)내에 헬륨가스를 50sccm 공급한다. 진공용기 (1)내의 압력을 제 1의 압력의 3Pa으로 제어하면서, 플라즈마원으로서의 코일(8)에 800W의 고주파전력을 공급하여, 진공용기(1)내에 플라즈마를 발생시켰다. 플라즈마가 착화하고 나서 1초 후에, 플라즈마를 발생시킨 상태로, 진공용기(1)내를 제 1의 압력(3Pa)보다도 낮은 제 2의 압력의 0.3Pa으로, 도핑원료가스로서의 디보란 (B2H6)가스를 3sccm 공급한다. 플라즈마가 안정된 후에, 7초간 시료전극에 200W의고주파전력을 공급한다. 이에 따라, 기판(9)의 표면근방에 붕소를 도핑할 수가 있었다. 도핑농도는 2.3×1O13atm/㎠이었다.
상기한 바와 같이, 플라즈마의 착화를 하는 스텝에 있어서, 도핑원료가스를 함유하지 않은 가스를 사용한다. 이에 따라, 착화 스텝에 있어서 시료에 주는 악영향을 적게 하면서, 시료에의 이온조사의 손상이 작은 헬륨주체의 플라즈마를 사용하여, 안정적으로 저농도 도핑을 할 수 있게 되었다.
제 4 실시예에 있어서, 제 2의 압력이 제 1의 압력과 같은 것이 바람직하다. 그에 따라, 착화 스텝에 있어서의 시료에의 악영향을 적게 할 수 있다.
플라즈마를 착화시키는 스텝에 있어서, 헬륨이외의 불활성가스를 공급하는 것이 바람직하다. 헬륨 이외의 불활성가스는, 일반적으로 헬륨보다도 착화하한압력이 낮기 때문에, 보다 낮은 압력으로 플라즈마를 착화할 수 있다고 하는 이점이 있다.
플라즈마를 착화시키는 스텝에 있어서, 플라즈마원에 공급하는 고주파전력을 작게 하는 것이 바람직하다. 그에 따라, 착화 스텝에 있어서의 시료에의 악영향을 적게 할 수 있다고 하는 이점이 있다.
이상 서술한 본 발명의 제 1에서 제 4의 각 실시예의 플라즈마도핑방법의 적용범위는 상기 각 실시예에 있어서 사용한 도 1에 나타내는 장치에 한정되는 것이 아니다. 도 1에서는, 진공용기의 형상, 플라즈마방식 및 배치 등에 대하여 여러 가지 변경예 중의 일부를 예시한 것에 불과하다. 본 발명의 플라즈마도핑방법은,여기서 예시한 이외에도 여러 가지 장치의 변경예에 적용할 수 있음은 물론이다.
예를 들면, 본 발명의 플라즈마도핑방법은 코일(8)을 평면의 소용돌이형상으로 한 도 2와 같은 구성의 장치에도 적용할 수 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 코일(8) 대신에 안테나(13)를 사용하여, 자장형성장치로서 전자석(14)을 사용한 구성의 장치에도 본 발명의 플라즈마도핑방법은 적용할 수 있다. 이 경우, 진공용기(1)내에 헬리콘파 플라즈마를 형성할 수 있고, 유도결합형 플라즈마보다도 고밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 전자석(14)에 흐르는 전류를 제어함으로써, 진공용기(1)내에 직류자장 또는 주파수 1kHz이하의 저주파자장을 인가하는 것도 바람직하다.
본 발명의 플라즈마도핑방법은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 코일(8) 대신 안테나(13) 및 자장형성장치로서의 2개의 전자석(14a, 14b)을 사용한 구성에도 적용할 수 있다. 이 경우, 2개의 전자석(14a, 14b)에 서로 역방향의 전류를 흐르게 함으로써, 진공용기 내에 자기중성 루프 플라즈마를 형성할 수 있다. 자기중성 루프 플라즈마는 유도결합형 플라즈마보다도 고밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 전자석(14a, 14b)에 흐르는 전류를 제어하는 것으로, 진공용기(1) 내에 직류자장 또는 주파수 1kHz이하의 저주파의 자장을 인가하여도 좋다.
도 5는 플라즈마도핑장치의 다른 예의 단면도이다. 도 5에 있어서, 진공용기(1)내에, 가스공급장치(2)로부터 소정의 가스를 도입하면서, 배기장치로서의 터보분자펌프(3)에 의해 배기를 한다. 압력조절밸브(4)에 의해 진공용기(1)내를 소정의 압력으로 유지하면서, 고주파전원(5)으로부터 13.56MHz의 고주파전력을 시료전극(6)에 대향한 유전체창(7)의 근방에 설치된 코일(8)에 공급한다. 이에 따라, 진공용기(1)내에 유도결합형 플라즈마가 발생하여, 시료전극(6)상에 놓여진 시료(피가공물)로서의 실리콘의 기판(9)에 대하여 플라즈마도핑처리를 할 수 있다. 시료전극(6)에 고주파전력을 공급하기 위한 고주파전원(10)이 설치된다. 고주파전원 (10)으로부터 고주파전류를 공급하여, 기판(9)이 플라즈마에 대하여 음의 전위를 갖도록, 시료전극(6)의 전위를 제어할 수 있다. 터보분자펌프(3) 및 배기구(11)는, 시료전극(6)의 바로 아래에 배치되어 있다. 압력조절밸브(4)는, 시료전극(6)의 바로 아래에, 또한 터보분자펌프(3)의 바로 위에 배치되어 있고 압력의 승강압력밸브로서 작용한다. 시료전극(6)은, 4개의 지지체(12)에 의해, 진공용기(1)에 고정되어 있다. 유전체창(7)의 주성분은 석영 유리이지만, 불순물로서의 붕소를 함유시키고 있다.
코일(8)과 유전체창(7)의 사이에 배치한 바이어스전극(15)에 주파수500kHz의 고주파전력을 공급하기 위한 고주파전원(16)이 설치된다. 바이어스전극(15)은 다수의 기지(旣知)의 띠 형상의 전극이 방사상으로 배치된 것이다. 띠 형상의 길이 방향은, 나선형의 코일(8)의 도체와 직교하도록 배치되어 있다. 이 배치에 의해, 바이어스전극(15)은 코일(8)로부터 나가는 고주파 전자계가 진공용기(1)내에 방사되는 것을 거의 방해하지 않도록 되어 있다. 바이어스전극(15)은, 유전체창(7)의 거의 전역을 덮고 있고, 유전체창(7)이 스패터(spatter)되어 석영 유리에 포함되는 불순물로서의 붕소가 플라즈마 내에 확산하는 양을 제어할 수가 있다. 고주파전원 (5)의 출력단에는 밴드패스 필터(17)와 반사파계(18)로 이루어지는 반사파 검출회로(20)가 설치된다. 밴드패스 필터(17)는 고주파전원(5)의 주파수 13.56MHz의 고주파전력의 반사파의 검출에, 고주파전원(16)으로부터의 주파수 500kHz의 고주파전력에 의한 변조의 영향이 미치는 것을 막기 위한 회로로서 설치된다. 밴드패스 필터(17)는, 주파수 500kHz의 고주파전력의 공급에 의해서 유전체창(7)의 표면의 시스(sheath) 두께가 주파수 500kHz로 변동함에 따른 영향을 제거한다. 밴드패스 필터(17)는 주파수 13.56MHz의 고주파전력의 반사파 중, 13.56MHz의 성분만을 추출하여 반사파계(18)로 검출하기 위한 것이다. 이 구성에 있어서, 주파수 13.56MHz의 고주파전력의 반사파를 반사파계(18)로 모니터하면서 처리를 한다. 이에 따라, 정합상태나 주파수 13.56MHz의 고주파전원의 트러블을 실시간으로 검지하는 것이 가능해진다.
이러한 구성을 채용함으로써, 진공용기(1)내에 도핑원료가스를 공급하지 않고서, 고체상의 불순물을 포함하는 유전체창(7)으로부터 발생시킨 도핑원료에 의해, 시료 또는 시료표면의 막내에 불순물을 도핑하는 것이 가능해진다.
이상 설명한 본 발명의 각 실시예에 있어서, 제 1의 압력보다도 제 2의 압력 쪽이 낮은 경우에, 착화를 확실히 하는 동시에 저농도 도핑을 실현하기 위해서는, 제 1의 압력이 1Pa에서 10Pa이고, 제 2의 압력이 0.01Pa로부터 1Pa 인 것이 바람직하다. 보다 바람직한 범위로서는 제 1의 압력이 2Pa로부터 5Pa이고, 제 2의 압력이 0.01Pa로부터 0.5Pa인 것이 바람직하다.
헬륨 이외의 불활성가스를 사용하는 경우, 네온, 아르곤, 크립톤 또는 크세논(제논)중의 적어도 하나의 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 이들 불활성가스는, 시료에의 악영향이 다른 가스보다도 작다고 하는 이점이 있다.
착화 스텝에 있어서 플라즈마원에 공급하는 고주파전력을 작게 할 경우, 착화를 확실히 하는 동시에, 착화 스텝에 있어서의 시료에의 악영향을 억제하여, 저농도 도핑을 실현하는 것이 바람직하다. 이를 위해서는, 착화 스텝에 있어서 플라즈마원에 공급하는 고주파전력이, 도핑 스텝에 있어서 플라즈마원에 공급하는 고주파전력의 1/100에서 1/2인 것이 바람직하다. 착화 스텝에 있어서 플라즈마원에 공급하는 고주파전력은, 도핑 스텝에 있어서 플라즈마원에 공급하는 고주파전력의 1/20에서 1/5인 것이 바람직하다.
진공용기 내에 도핑원료가스를 공급하는 경우, 저농도 도핑을 실현하기 위해서는, 도핑원료가스의 분압(分壓)이, 도핑 스텝에 있어서의 진공용기내의 압력의 1/l000에서 1/5인 것이 바람직하다. 더욱, 도핑원료가스의 분압이, 도핑 스텝에 있어서의 진공용기내의 압력의 1/100에서 1/10인 것이 바람직하다.
상기 각 실시예에서는, 시료가 실리콘으로 된 반도체기판인 경우를 나타내었지만, 다른 여러 가지 재질의 시료를 처리함에 있어서도 본 발명의 플라즈마도핑방법을 적용할 수 있다.
상기 각 실시예에서는 불순물이 붕소인 경우에 대하여 예시하였지만, 시료가 실리콘으로 이루어지는 반도체기판인 경우, 특히 불순물이 비소, 인, 붕소, 알루미늄 또는 안티몬인 경우에 본 발명은 유효하다. 이것은, 트랜지스터부분에 얕은 접합을 형성할 수 있기 때문이다.
본 발명은, 도핑농도가 저농도인 경우에 유효하고, 특히, 1×1 O11atm/cm2로부터 1×1O17atm/cm2를 겨냥한 플라즈마도핑방법으로서 유효하다. 또한, 1×1O11atm/cm2로부터 1×1O14atm/cm2를 겨냥한 플라즈마도핑방법으로서 특히 각별한 효과를 나타낸다.
본 발명은, 전자사이클로트론공명(ECR) 플라즈마를 사용하는 경우에도 유효하지만, ECR 플라즈마를 사용하지 않은 경우에 특히 유효하다. ECR 플라즈마는 저압력이라도 플라즈마가 착화하기 쉽다고 하는 이점이 있다. 그러나, 시료부근의 직류자계가 크기 때문에, 전자와 이온의 하전(荷電)분리가 생기기 쉽고, 도핑량의 균일성이 뒤떨어진다고 하는 결점이 있다. 즉, 본 발명을 ECR 플라즈마를 사용하지 않고, 다른 고밀도 플라즈마원을 사용한 플라즈마도핑방법에 적용함으로써, 균일성에서 보다 뛰어난 저농도 도핑을 실현할 수가 있다.
《제 5 실시예》
본 발명의 제 5 실시예의 플라즈마도핑방법에 대하여, 도 6에서 도 8을 참조하여 설명한다.
도 6에, 본 발명의 제 5 실시예의 플라즈마도핑방법에 있어서 사용하는 플라즈마도핑장치의 단면도를 나타낸다. 도 6에 있어서, 진공용기(1)내에 설치한 시료전극(6) 위에 시료(피가공물)로서의 실리콘 기판(9)을 얹어 놓는다. 진공용기(1) 속에, 가스공급장치(2)로부터 소정의 가스를 도입하면서, 배기장치로서의 터보분자펌프(3)에 의해 배기를 한다. 압력조절밸브(4)에 의해 진공용기(1)내를 소정의 압력으로 유지하면서, 고주파전원(5)으로부터 13.56MHz의 고주파전력을 시료전극(6)에 대향한 유전체창(7)의 근방에 설치된 플라즈마발생장치로서의 코일(8)에 공급한다.
이에 따라, 진공용기(1)내에 유도결합형 플라즈마가 발생하여, 시료전극(6)상에 놓여진 실리콘 기판(9)에 대하여 플라즈마도핑처리를 할 수 있다. 실리콘 기판(9)이 플라즈마에 대하여 음의 전위를 갖도록, 시료전극(6)에 고주파전력을 공급하기 위한 고주파전원(10)이 설치되어 있고, 그에 따라 시료전극(6)의 전위를 제어할 수가 있다. 터보분자펌프(3) 및 배기구(11)는, 시료전극(6)의 바로 아래에 배치되어 있다. 압력조절밸브(4)는, 시료전극(6)의 바로 아래에, 또한, 터보분자펌프(3)의 바로 위에 위치하는 승강압력밸브이다. 시료전극(6)은, 4개의 지지체(12)에 의해, 진공용기(1)에 고정되어 있다. 유전체창(7)의 주성분은 석영 유리이다. 고주파전원(5)과 코일(8)의 사이에 플라즈마발생장치용 정합회로(33)가 설치된다.
플라즈마발생장치용 정합회로(33)는 시판되어 있는 기지(旣知)의 것이며, 도 7의 블록도를 참조하여 간단히 설명한다. 출력단(33b)이 코일(8)에 접속되어 있는 정합회로(33)의 입력단(33a)에 고주파전원(5)으로부터 고주파전력이 공급되면, 센서(14)로부터의 신호에 따라서, 연산회로(15)는 제어전압을 토로이달 코어(16a, 16b)에 출력한다. 그 결과, 토로이달 코어(16a, 16b)의 투자율(透磁率)이 변화하기 때문에, 고주파의 인덕턴스가 변화하여, 바람직한 정합상태로 이행시킬 수 있다. 플라즈마발생장치용 정합회로(33)는 가동부를 갖지 않고, 기지의 전기적인 신호만으로 임피던스를 가변할 수 있는 토로이달 코어(16a, 16b)를 사용하고 있기 때문에, 정합에 요하는 시간은 1msec 이하이다.
실리콘 기판(9)을 시료전극(6)에 얹어 놓은 후, 시료전극(6)의 온도를 10℃로 유지하면서, 진공용기(1)내에 헬륨가스를 50sccm, 및 도핑원료가스로서의 디보란(B2H6)가스를 3sccm 공급한다. 진공용기(1)내의 압력을 제 1의 압력의 2Pa으로 제어하면서, 플라즈마원으로서의 코일(8)에 150W의 고주파전력을 공급함으로써, 진공용기(1)내에 플라즈마를 발생시킨다.
이하에 본 실시예에 있어서의 프로세스를 도 8의 타이밍 챠트를 참조하여 설명한다. 시각 t1에서 코일(8)에 150W의 고주파전력(high frequency power)의 공급을 시작한다. 고주파전력의 공급을 시작하고 나서 있어 1초 후에, 플라즈마를 발생시킨 상태로, 조절밸브를 제어하여 진공용기(1)내를 제 1의 압력(2Pa)보다도 낮은 제 2의 압력의 1Pa로 한다. 그리고 0.07초 후에 고주파전력을 800W까지 높이는 동시에, 시료전극에 200W의 고주파전력을 공급한다. 이에 따라, 기판(9)의 표면근방에 붕소를 도핑할 수가 있었다. 상기의 처리를 100회 연속하여 행한 바, 도핑농도의 평균치는 2.5×1O13atm/cm2이고, 그 격차는 ±1.4%이었다.
비교를 위해, 종래의 가변콘덴서를 사용한 정합회로에서 같은 조건의 처리를 하였다. 그 결과, 제어파라미터인 압력 및 고주파전력을 변화시킨 타이밍으로 큰 반사파가 생겼다. 이 반사파가 불균일하기 때문에, 100회 연속하여 처리를 하였을 때의 도핑농도의 평균치는 2.4×1O13atm/cm2이고, 그 격차는 ±2.8%로 컸다. 도 8에, 본 실시예와 종래예에 있어서의 반사파의 파형을 나타낸다.
상기한 바와 같이, 플라즈마의 착화를, 도핑 스텝에 있어서의 압력보다도 높은 압력을 기초로 하는 것에 의해, 안정된 착화를 실현하는 것이 가능해진다. 그 때문에, 시료에 주는 이온 조사의 손상이 작은 헬륨주체의 플라즈마를 사용하여, 안정적으로 저농도 도핑을 할 수 있게 되었다. 플라즈마를 착화시키는 스텝에 있어서, 플라즈마원에 공급하는 고주파전력을 작게 함으로써, 착화 스텝에 있어서의 시료에의 악영향을 적게 할 수 있었다. 본 실시예에서는 2개의 가변 임피던스소자로서 기지의 가동부를 갖지 않은 토로이달 코어(16a, 16b)를 구비한 플라즈마발생장치용 정합회로(33)를 사용하였다. 그 때문에, 제어파라미터를 변화시키더라도 큰 반사파가 생기지 않고, 재현성에 뛰어난 처리를 할 수 있었다.
제 5 실시예에 있어서, 플라즈마를 착화시키는 스텝에 헬륨 이외의 불활성가스를 공급하여도 좋다. 이 경우, 헬륨이외의 불활성가스는, 일반적으로 헬륨보다도 착화하한압력이 낮기 때문에, 보다 저압력으로써 플라즈마를 착화할 수 있다고 하는 이점이 있다.
플라즈마를 착화시키는 스텝에 있어서는, 진공용기(1)내에 도핑원료가스를 공급하지 않도록 하여도 좋다. 이 경우에도, 착화 스텝에 있어서의 시료에의 악영향을 적게 할 수 있다고 하는 이점이 있다.
《제 6 실시예》
다음에, 본 발명의 제 6 실시예의 플라즈마도핑방법에 대하여 도 9를 참조하여 설명한다.
제 6 실시예의 플라즈마도핑방법에 있어서 사용하는 플라즈마도핑장치는, 도 6 및 도 7에 나타낸 것과 같기 때문에, 중복하는 설명을 생략한다.
기판(9)을 시료전극(6) 위에 얹어 놓은 후, 시료전극(6)의 온도를 10℃로 유지하면서, 진공용기(1)내에 헬륨가스를 50sccm, 및 도핑원료가스로서의 디보란 (B2H6)가스를 3sccm 공급한다. 진공용기(1)내의 압력을 제 l의 압력의 2Pa으로 제어하면서, 플라즈마원으로서의 코일(8)에 200W의 고주파전력을 공급함으로써, 진공용기(1)내에 플라즈마를 발생시킨다.
본 실시예에 있어서의 프로세스를 도 9의 타이밍 챠트를 참조하여 설명한다. 시간 t1에서 코일(8)에 200W의 고주파전력의 공급을 시작한다. 고주파전력의 공급을 시작하고 나서 0.5초 후에, 플라즈마를 발생시킨 상태로, 진공용기(1)내를 제 1의 압력(2Pa)보다도 낮은 제 2의 압력인 1Pa로 하기 위해서, 압력조절밸브(4)의 개방도를 서서히 크게 한다. 동시에 코일(8)의 고주파전력을 2초간에 800W까지 서서히 증가시켰다. 제어파라미터인 압력과 고주파전력을 2.0초의 시간을 들여 천천히 변화시킨 후, 시료전극(6)에 200W의 고주파전력을 공급한다. 이에 따라, 기판(9)의 표면근방에 붕소를 도핑할 수 있었다. 이러한 처리를 100회 연속하여 행한 바, 도핑농도의 평균치는 2.5×1O13atm/cm2이고, 그 격차는 ±O.9%이었다.
상기한 바와 같이, 플라즈마의 착화를, 도핑 프로세스에 있어서의 압력보다도 높은 압력 내에서 하는 것에 의해, 안정된 착화를 실현하는 것이 가능해진다. 또한 시료에 주는 이온조사의 손상이 작은 헬륨주체의 플라즈마를 사용하는 것에의해, 안정적으로 저농도 도핑을 할 수 있게 되었다. 플라즈마를 착화시키는 스텝에 있어서, 플라즈마원에 공급하는 고주파전력을 작게 함으로써, 착화 스텝에 있어서의 시료에의 악영향을 적게 할 수 있다. 본 실시예에서는, 2개의 가변 임피던스소자로서 가동부를 갖지 않은 도 7에 나타내는 기지(旣知)의 토로이달 코어를 구비한 플라즈마발생장치용 정합회로(33)를 사용하였다. 그 때문에, 제어파라미터를 변화시키더라도 큰 반사파가 생기지 않고, 재현성에 뛰어난 처리를 할 수 있었다. 제어파라미터를 2.0초의 시간을 들여 천천히 변화시키도록 하였기 때문에, 임피던스의 변화가 완만하게 되어, 생기는 반사파를 도 8에 나타내는 제 5 실시예보다도 더욱 작게 할 수가 있어, 재현성이 개선되었다.
본 발명의 제 6 실시예에 있어서, 플라즈마를 착화시키는 스텝에 있어서, 헬륨 이외의 불활성가스를 공급하더라도 좋다. 이 경우, 헬륨 이외의 불활성가스는, 일반적으로 헬륨보다도 착화의 하한압력이 낮기 때문에, 보다 낮은 압력으로써 플라즈마를 착화할 수 있다고 하는 이점이 있다.
플라즈마를 착화시키는 스텝에 있어서, 진공용기 내에 도핑원료가스를 공급하지 않도록 하더라도 좋다. 이 경우도, 착화 스텝에 있어서의 시료에의 악영향을 적게 할 수 있다고 하는 이점이 있다.
본 실시예에서는, 제어파라미터를 2초간에 걸쳐 변화시키는 예를 나타내었지만, 제어파라미터의 변화는 1초에서 5초 사이의 시간에 걸쳐 하는 것이 바람직하다. 가변콘덴서를 구비한 플라즈마발생장치용 정합회로를 사용한 경우, 제어파라미터의 변화를 1초 미만으로 하면, 큰 반사파가 생기는 경우가 있다. 제어파라미터의 변화를 5초보다도 긴 시간을 들여 하면, 처리시간이 길어져 생산성이 저하하기 때문이다.
본 발명의 제 5 및 제 6 실시예는, 본 발명의 플라즈마도핑방법의 적용범위 중의 일부를 예시한 것에 불과하다. 본 발명의 플라즈마도핑방법은 진공용기의 형상, 플라즈마원의 방식 및 배치 등에 대하여 여러 가지 장치의 변경예에도 적용할 수 있음은 물론이다.
예를 들면, 코일(8)을 도 2에 나타낸 바와 같이 평면형상으로 하여도 좋다. 또한, 헬리콘파 플라즈마를 사용하여도 좋고, 자기중성 루프 플라즈마를 사용하는 것도 가능하다.
진공용기(1)내에 도핑원료가스를 공급하지 않고, 고체형상의 불순물로부터 발생시킨 도핑원료에 의해 시료 또는 시료표면의 막 내에 불순물을 도핑하더라도 좋다.
플라즈마를 발생시킨 상태로 변화시키는 제어파라미터가, 가스의 종류, 가스유량, 압력, 고주파전력의 크기의 제어파라미터 중 적어도 하나의 제어파라미터인 경우에 본 발명은 특히 유효하다.
플라즈마를 발생시킨 상태로, 압력을 제 1의 압력으로부터 제 2의 압력으로 변화시키는 경우, 제 1의 압력보다도 제 2의 압력 쪽이 낮은 것이 바람직하다. 착화를 확실히 하는 동시에, 저농도 도핑을 실현하기 위해서는, 제 1의 압력이 1Pa에서 10Pa이고, 제 2의 압력이 0.01Pa로부터 1Pa인 것이 바람직하다. 제 1의 압력이 2Pa로부터 5Pa이고, 제 2의 압력이 0.01Pa로부터 0.5Pa인 것이 바람직하다.
헬륨 이외의 불활성가스를 사용하는 경우, 네온, 아르곤, 크립톤 또는 크세논(제논)중의 적어도 하나의 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 이들 불활성가스는, 시료에의 악영향이 다른 가스보다도 작다고 하는 이점이 있다.
착화 스텝에 있어서의 플라즈마원에 공급하는 고주파전력을 작게 하는 경우, 착화를 확실히 하는 동시에, 착화 스텝에 있어서의 시료에의 악영향을 억제하여, 저농도 도핑을 실현하는 것이 바람직하다. 그를 위해서는, 착화 스텝에 있어서 플라즈마원에 공급하는 고주파전력이, 도핑 스텝에 있어서 플라즈마원에 공급하는 고주파전력의 1/100에서 1/2인 것이 바람직하다. 착화 스텝에 있어서 플라즈마원에 공급하는 고주파전력이, 도핑 스텝에 있어서 플라즈마원에 공급하는 고주파전력의 1/20에서 1/5인 것이 바람직하다.
진공용기 내에 도핑원료가스를 공급하는 경우, 저농도 도핑을 실현하기 위해서는, 도핑원료가스의 분압이, 도핑 스텝에 있어서의 진공용기내의 압력의 1/1000에서 1/5의 범위내인 것이 바람직하다. 더욱, 도핑원료가스의 분압이, 도핑 스텝에 있어서의 진공용기내의 압력의 1/100에서 1/10의 범위내인 것이 바람직하다.
상기 제 1에서 제 6의 각 실시예에서는, 시료가 실리콘으로 된 반도체기판인 경우를 예시하였지만, 다른 여러 가지 재질의 시료를 처리하는 데에 있어서, 본 발명을 적용할 수가 있다.
상기 제 1에서 제 6의 각 실시예에서는, 불순물이 붕소인 경우에 대하여 예시하였지만, 시료가 실리콘으로 된 반도체기판인 경우, 특히 불순물이 비소, 인, 붕소, 알루미늄 또는 안티몬인 경우라도 본 발명은 유효하다. 이것은, 트랜지스터부분에 얕은 접합을 형성할 수 있기 때문이다.
상기 제 1에서 제 6의 실시예의 플라즈마도핑방법은, 도핑농도가 저농도인 경우에 유효하고, 특히, 농도의 소망치를 1×1O11atm/cm2에서 1×1O17atm/cm2로 한 플라즈마도핑방법에 있어서 유효하다. 또한, 농도의 목표치를 1×1O11atm/cm2로부터 1×1O17atm/cm2로 한 플라즈마도핑방법에 있어서 특히 각별한 효과를 나타낸다.
상기 제 1에서 제 6 실시예의 플라즈마도핑방법은, 전자 사이클로트론공명 (ECR) 플라즈마를 사용하는 경우에도 유효하지만, ECR 플라즈마를 사용하지 않은 경우에 특히 효과적이다. ECR 플라즈마는 저압력에서도 플라즈마가 착화하기 쉽다고 하는 이점이 있다. 그러나, ECR 플라즈마는 시료부근의 직류자계가 크기 때문에, 전자와 이온의 하전(荷電)분리가 생기기 쉽고, 도핑량의 균일성이 뒤떨어진다고 하는 결점이 있다. ECR 플라즈마를 사용하지 않고, 다른 고밀도 플라즈마원을 사용한 플라즈마도핑방법에 적용함으로써, 균일성에 뛰어난 저농도 도핑을 실현할 수가 있다.
《제 7 실시예》
이하에 본 발명의 제 7 실시예의 플라즈마도핑방법에 대하여, 도 10에서 도 12를 참조하여 설명한다.
도 10에, 본 발명의 제 7 실시예의 플라즈마도핑방법에 있어서 사용하는 플라즈마도핑장치의 단면도를 나타낸다. 도 10의 플라즈마도핑장치에서는, 고주파전원(10)의 출력은 샘플러(37)를 거쳐 시료전극(6)에 공급된다. 샘플러(37)는 제어장치(44)에 제어입력을 부여한다. 제어장치(44)의 출력은 고주파전원(10)에 주어져, 이것을 제어한다. 진공용기(1)내에, 가스공급장치(2)로부터 소정의 가스를 도입하면서, 배기장치로서의 터보분자펌프(3)에 의해 배기를 한다. 압력조절밸브(4)에 의해 진공용기(1)내를 소정의 압력으로 유지하면서, 고주파전원(5)으로부터 13.56MHz의 고주파전력을 시료전극(6)에 대향한 유전체창(7)의 근방에 설치된 플라즈마발생장치로서의 코일(8)에 공급한다. 이에 따라, 진공용기(1)내에 유도결합형 플라즈마가 발생하여, 시료전극(6)상에 놓여진 시료로서의 실리콘 기판(9)에 대하여 플라즈마도핑처리를 할 수 있다.
시료전극(6)에 고주파전력을 공급하기 위한 고주파전원(10)은, 기판(9)이 플라즈마에 대하여 음의 전위를 갖도록, 시료전극(6)의 전위를 제어할 수 있도록 되어 있다. 터보분자펌프(3) 및 배기구(11)는, 시료전극(6)의 바로 아래에 배치되어 있다. 압력조절밸브(4)는, 시료전극(6)의 바로 아래에, 또한, 터보분자펌프(3)의 바로 위에 위치하는 승강압력밸브이다. 시료전극(6)은 4개의 지지체(12)에 의해, 진공용기(1)에 고정되어 있다. 유전체창(7)의 주성분은 석영 유리이다.
샘플러(37)는, 시료전극(6)에 공급하는 고주파전력의 진행파 전력(forward power)을 Pf, 반사파 전력(reflected power)을 Pr로 하였을 때, 진행파전력 Pf와 반사파전력 Pr과의 차이인 전력차 Pf-Pr의 값을 1msec에서 100msec 간격으로 샘플링한다. 제어장치(44)는, 전력차 Pf-Pr를 시간으로 적분한 값이 미리 설정한 값에 달한 시점에서 고주파전력의 공급을 정지한다.
기판(9)을 시료전극(6)에 얹어 놓은 후, 시료전극(6)의 온도를 10℃로 유지하면서, 진공용기(1)내에 헬륨가스를 50sccm, 도핑원료가스로서의 디보란(B2H6)가스를 3sccm 공급한다. 진공용기(1) 내의 압력을 제 1의 압력의 2Pa으로 제어하면서, 플라즈마원으로서의 코일(8)에 150W의 고주파전력을 공급함으로써, 진공용기(1)내에 플라즈마를 발생시켰다. 본 실시예에 있어서의 프로세스를 도 11의 타이밍 챠트를 참조하여 설명한다.
시간 t1에서 코일(8)에 고주파전력의 공급을 시작한다. 고주파전력의 공급을 시작하고 나서 1.0초 후에, 플라즈마를 발생시킨 상태로, 진공용기(1)내를 제 1의 압력(2Pa)보다도 낮은 제 2의 압력 1Pa로 하기 위해서 압력조절밸브(4)를 제어한다. 조절밸브(4)의 제어개시로부터 0.8초 후에 고주파전력을 800W까지 증가시킴과 동시에, 시료전극(6)에 200W의 고주파전력을 공급함으로써, 기판(9)의 표면근방에 붕소를 도핑하였다. 시료전극(6)에 공급하는 고주파전력의 진행파의 전력을 Pf, 반사파의 전력을 Pr로 하였을 때, 전력차 Pf-Pr의 값을 샘플러(37)에 의해 80msec 간격으로 샘플링한다. 샘플링한 전력차 Pf-Pr를 시간으로 적분한 값이 미리 설정한 값에 달한 시점에서, 고주파전력의 공급을 정지하였다. 즉, 도 11의 최하단의 그래프에 사선으로 표시된 영역으로 나타내는 값이, 1400W·sec가 된 시점에서, 플라즈마발생장치(8) 및 시료전극(6)에의 고주파전력의 공급을 정지하였다.
상기의 처리를 100회 연속하여 행한 바, 도핑농도의 평균치는 3.5 ×1013atm /cm2이고, 그 격차는 ±1.2%이었다.
전력차 Pf-Pr의 값의 샘플링간격을 변화시켜, 도핑농도의 불균일을 조사하였다. 각 샘플링간격에 대하여, 처리를 100회 연속하여 행한 경우의 도핑농도격차를 나타내는 그래프를, 도 12에 나타낸다. 샘플링간격이 100 msec 이하가 되면, 격차가 급격히 작아져, ±1.5% 미만에까지 저감할 수 있는 것을 알 수 있다. 샘플링간격이 10msec 이하가 되면, 더욱 불균일은 작아지고, ±0.5% 미만까지 감소하였다.
상기한 바와 같이, 재현성에 뛰어난 처리를 할 수 있는 것은, 동일가스의 종류, 동일가스유량, 동일압력의 바탕에서는, 도핑농도가 시료전극(6)에 인가하는 고주파전력과 처리시간의 각각에 비례하는 것을 이용하고 있기 때문이다. 즉, 전력차 Pf-Pr를 시간으로 적분한 값이 미리 설정한 값에 달한 시점에서, 도핑농도는 소정치에 달하고 있다. 그 시점에서 고주파전력의 공급을 정지함으로써 도핑농도를 소정치로 할 수 있는 반사파의 발생상황에 불균일이 생기더라도, 시료전극(6)에 공급되는 실효적인 전력이 전력차 Pf-Pr를 샘플링함으로써 검출할 수 있다. 따라서 샘플링한 전력차 Pf-Pr의 적분치로부터 정확한 도핑량을 파악할 수 있다.
본 실시예에서는, 시료전극(6)에 공급하는 고주파전력의 진행파 전력을 Pf, 반사파 전력을 Pr로 하였을 때, 전력차 Pf-Pr의 값을 샘플링하는 경우를 예시하였다. 다른 예로서 플라즈마발생장치의 코일(8)에 공급하는 고주파전력의 진행파 전력을 Pf, 반사파 전력을 Pr로 하였을 때, 전력차 Pf-Pr의 값을 샘플링하더라도 좋다. 이 경우의 플라즈마도핑장치의 구성예를 도 13에 나타낸다.
도 13에 있어서, 진공용기(1)내에, 가스공급장치(2)로부터 소정의 가스를 도입하면서, 배기장치로서의 터보분자펌프(3)에 의해 배기를 한다. 압력조절밸브(4)에 의해 진공용기(1)내를 소정의 압력으로 유지하면서, 고주파전원(5)으로부터 13.56MHz의 고주파전력을 시료전극(6)에 대향한 유전체창(7)의 근방에 설치된 플라즈마발생장치로서의 코일(8)에 공급한다. 이에 따라, 진공용기(1)내에 유도결합형 플라즈마가 발생하여, 시료전극(6)상에 놓여진 시료(피가공물)로서의 실리콘 기판 (9)에 대하여 플라즈마도핑처리를 할 수 있다. 시료전극(6)에 고주파전력을 공급하기 위한 고주파전원(10)은, 기판(9)이 플라즈마에 대하여 음의 전위를 갖도록, 시료전극(6)의 전위를 제어할 수 있도록 구성되어 있다. 시료전극(6)의 바로 아래에 터보분자펌프(3) 및 배기구(11)가 배치되어 있다. 압력조절밸브(4)가, 시료전극(6)의 바로 아래에, 또한, 터보분자펌프(3)의 바로 위에 승강압력밸브로서 설치된다. 시료전극(6)은, 4개의 지지체(12)에 의해, 진공용기(1)에 고정되어 있다. 유전체창(7)의 주성분은 석영 유리이다. 플라즈마발생장치로서의 코일에 공급하는 고주파전력의 진행파 전력을 Pf, 반사파 전력을 Pr로 하였을 때, 전력차 Pf-Pr의 값을 1msec에서 100msec 간격으로 샘플링할 수 있는 샘플러(37)를 구비하고 있다. 제어장치(44)는 전력차 Pf-Pr를 시간으로 적분한 값이 미리 설정한 값에 달한 시점에서 고주파전력의 공급을 정지한다. 동일가스의 종류, 동일가스유량, 동일압력의 바탕에서는, 도핑농도가 플라즈마발생장치에 인가하는 고주파전력과 처리시간의 각각에 비례하는 것을 이용하여, 전력차 Pf-Pr를 시간으로 적분한 값이 미리 설정한 값에 달한 시점에서, 고주파전력의 공급을 정지한다. 이에 따라, 반사파의 발생상황에 불균일이 생기더라도, 보다 정확한 도핑량을 얻을 수 있다.
본 발명의 제 7 실시예에 있어서는, 본 발명의 플라즈마도핑방법의 적용범위중에, 진공용기의 형상, 플라즈마원의 방식 및 배치 등에 대하여 여러 가지 장치의 변경예 중의 일부를 예시한 것에 불과하다. 본 발명의 플라즈마도핑방법의 적용에 있어서, 여기서 예시한 것 이외에도 여러 가지 변경예를 생각할 수 있음은 물론이다.
예를 들어, 도 2와 같이 코일(8)을 평면형상으로 하여도 좋고, 헬리콘파 플라즈마를 사용하여도 좋고, 혹은, 자기중성 루프 플라즈마를 사용하는 것도 가능하다.
또한, 진공용기(1)내에 도핑원료가스를 공급하지 않고, 고체형상의 불순물로부터 발생시킨 도핑원료에 의해 시료 또는 시료표면의 막내에 불순물을 도핑하더라도 좋다.
또한, 본 실시예는, 플라즈마도핑처리 중간에, 플라즈마를 발생시킨 상태로 가스의 종류, 가스유량, 압력, 고주파전력의 크기 중 적어도 하나의 제어파라미터를 변화시키는 경우에 특히 효과적이다. 이것은, 제어파라미터를 변화시키는 타이밍에서 반사파가 생기기 쉽기 때문이다.
또한, 시료가 실리콘으로 된 반도체기판인 경우를 예시하였지만, 다른 여러 가지 재질의 시료를 처리할 때에, 본 실시예를 적용할 수가 있다.
본 실시예에서는 불순물이 붕소인 경우에 대하여 예시하였지만, 시료가 실리콘으로 된 반도체기판인 경우, 특히 불순물이 비소, 인, 붕소, 알루미늄 또는 안티몬인 경우에 본 실시예는 효과적이다. 이것은, 트랜지스터부분에 얕은 접합을 형성할 수 있기 때문이다.
본 실시예는, 도핑농도가 저농도인 경우에 유효하고, 특히, 원하는 농도를 1×1O11atm/cm2로부터 1×1O17atm/cm2로 한 플라즈마도핑방법에 있어서 유효하다. 또한, 농도의 목표치를 1×1O11atm/cm2로부터 1×1O14atm/cm2로 한 플라즈마도핑방법에 있어서 특히 각별한 효과를 나타낸다. 이것은, 처리시간이 수 sec에서 수십 sec로 짧기 때문에, 반사파의 격차의 영향이 커지기 때문이다.
플라즈마발생장치 또는 시료전극에 공급하는 고주파전력의 진행파 전력을 Pf, 반사파 전력을 Pr로 하였을 때, 전력차 Pf-Pr의 값을 샘플링하는 간격은, 1msec에서 100msec인 것이 바람직하다. 그 이유는 샘플링간격을 1msec보다도 작게 하기 위해서는, 극히 고성능의 샘플러가 필요하고, 제어장치에 높은 연산능력이 요구되기 때문에, 장치비용의 상승을 초래하는 것, 또한 샘플링간격을 100msec보다 크게 하면, 충분한 재현성을 얻을 수 없는 것에 의한다.
플라즈마발생장치 또는 시료전극에 공급하는 고주파전력의 진행파 전력을 Pf, 반사파 전력을 Pr로 하였을 때, 전력차 Pf-Pr의 값을 샘플링하는 간격은, 1msec에서 10msec인 것이 더욱 바람직하다. 그 이유는 샘플링간격을 1msec 이하로 하면 상술한 바와 같이 극히 고성능의 샘플러가 필요해져 비용의 상승을 초래하고, 10msec 이하로 하면 뛰어난 재현성을 얻을 수 있기 때문이다.
전력차 Pf-Pr의 값을 샘플링하는 데에 있어서, Pf 및 Pr의 값을 각각 샘플링하여 그 차를 계산하여도 좋고, 또는 회로적으로 연산을 가하더라도 좋다. 또한 진행파 전력 Pf는 설정치와 같다고 가정하여, 반사파 전력 Pr만을 샘플링하여, 전력차 Pf-Pr의 값을 계산하더라도 좋다.
또한, 전력차 Pf-Pr의 값을 시간으로 적분하는 데에 있어서, 샘플링치와 샘플링치의 사이를 직선으로 보간(補間)하더라도 좋고, 계단형상으로 변화한 것으로 하여 적분치를 계산하더라도 좋다.
본 발명의 플라즈마도핑방법에 의하면, 진공용기 내에 가스를 공급하면서 진공용기 내를 배기하여, 진공용기 내를 제 1의 압력으로 제어하면서 플라즈마원에 고주파전력을 공급함으로써, 플라즈마를 발생시킨다. 이 상태로, 진공용기 내를 제 1의 압력보다도 낮은 제 2의 압력으로 제어한다. 이에 따라, 안정된 저농도 도핑이 가능해진다.
본 발명의 플라즈마도핑장치에 의하면, 플라즈마발생장치에 2개의 가변 임피던스소자로서 가동부를 갖지 않은 토로이달 코어를 구비한 플라즈마발생장치용 정합회로를 통해 고주파전력을 공급하는 고주파전원을 구비함으로써, 안정된 저농도도핑이 가능한 동시에, 재현성에 뛰어난 플라즈마도핑을 할 수 있다.

Claims (10)

  1. 시료 또는 시료표면의 막 내에 불순물을 첨가(도핑)하는 플라즈마도핑방법으로서,
    진공용기내의 전극에 시료를 얹어 놓는 제 1의 스텝,
    상기 진공용기 내에 도핑원료가스를 공급하면서 진공용기 내를 배기하여, 상기 진공용기 내를 제 1의 압력으로 제어하면서, 플라즈마원에 고주파전력을 공급함으로써, 상기 진공용기 내에 플라즈마를 발생시키는 제 2의 스텝, 및
    플라즈마를 발생시킨 상태로, 상기 진공용기 내를 상기 제 1의 압력보다도 낮은 제 2의 압력으로 제어하는 제 3의 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마도핑방법.
  2. 시료 또는 시료표면의 막 내에 불순물을 첨가하는 플라즈마도핑방법으로서,
    진공용기내의 전극에 시료를 얹어 놓는 제 1의 스텝,
    상기 진공용기 내에 헬륨을 제외한 다른 불활성가스를 함유한 가스를 공급하면서 진공용기 내를 배기하여, 상기 진공용기 내를 제 1의 압력으로 제어하면서, 플라즈마원에 고주파전력을 공급함으로써, 상기 진공용기 내에 플라즈마를 발생시키는 제 2의 스텝, 및
    플라즈마를 발생시킨 상태로, 상기 진공용기 내에 헬륨을 함유한 가스를 공급하면서 진공용기 내를 배기하여, 상기 진공용기 내를 제 2의 압력으로 제어하는제 3의 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마도핑방법.
  3. 시료 또는 시료표면의 막 내에 불순물을 첨가하는 플라즈마도핑방법으로서,
    진공용기내의 전극에 시료를 얹어 놓는 제 1의 스텝,
    상기 진공용기 내에 가스를 공급하면서 진공용기 내를 배기하여, 상기 진공용기 내를 제 1의 압력으로 제어하면서, 플라즈마원에 고주파전력을 공급함으로써, 진공용기 내에 플라즈마를 발생시키는 제 2의 스텝,
    플라즈마를 발생시킨 상태로, 상기 진공용기 내를 상기 제 1의 압력과 다른 제 2의 압력으로 제어하면서, 상기 제 2의 스텝에 있어서의 고주파전력보다도 큰 고주파전력을 플라즈마원에 공급하는 제 3의 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마도핑방법.
  4. 시료 또는 시료표면의 막 내에 불순물을 첨가하는 플라즈마도핑방법으로서,
    진공용기내의 시료전극에 시료를 얹어 놓는 제 1의 스텝,
    상기 진공용기 내에 도핑원료가스를 함유하지 않은 가스를 공급하면서 진공용기 내를 배기하여, 상기 진공용기 내를 제 1의 압력으로 제어하면서, 플라즈마원에 고주파전력을 공급함으로써, 상기 진공용기 내에 플라즈마를 발생시키는 제 2의 스텝, 및
    플라즈마를 발생시킨 상태로, 상기 진공용기 내에 도핑원료가스를 함유한 가스를 공급하면서 진공용기 내를 배기하여, 상기 진공용기 내를 제 1의 압력과 다른제 2의 압력으로 제어하는 제 3의 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마도핑방법.
  5. 플라즈마발생장치를 구비한 진공용기 내에 가스를 공급하면서 진공용기 내를 배기하여, 2개의 가변 임피던스소자로서 토로이달 코어를 구비한 플라즈마발생장치용 정합회로를 통해 플라즈마발생장치에 고주파전력을 공급함으로써, 상기 진공용기 내에 플라즈마를 발생시켜, 상기 진공용기내의 시료전극에 놓여진 시료 또는 시료표면의 막내에 불순물을 첨가하는 플라즈마도핑방법으로서,
    플라즈마를 발생시킨 상태에서 가스의 종류, 가스유량, 압력, 고주파전력의 제어파라미터 중 적어도 하나의 제어파라미터를 변화시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마도핑방법.
  6. 플라즈마발생장치를 구비한 진공용기 내에 가스를 공급하면서 진공용기 내를 배기하여, 플라즈마발생장치용 정합회로를 통해 플라즈마발생장치에 고주파전력을 공급함으로써, 상기 진공용기 내에 플라즈마를 발생시켜, 상기 진공용기내의 시료전극에 놓여진 시료 또는 시료표면의 막 내에 불순물을 첨가하는 플라즈마도핑방법으로서,
    플라즈마를 발생시킨 상태에서 가스의 종류, 가스유량, 압력, 고주파전력의 제어파라미터 중 적어도 하나의 제어파라미터를 1초에서 5초간 변화시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마도핑방법.
  7. 플라즈마발생장치를 구비한 진공용기(1)내에 가스를 공급하면서 상기 진공용기 내를 배기하여, 상기 플라즈마발생장치에 고주파전력을 공급함으로써, 상기 진공용기 내에 플라즈마를 발생시켜, 상기 진공용기내의 시료를 얹어 놓기 위한 전극에 고주파전력을 공급하여, 상기 시료를 얹어 놓기 위한 전극에 놓여진 시료 또는 시료표면의 막 내에 불순물을 첨가하는 플라즈마도핑방법으로서,
    상기 플라즈마발생장치 또는 상기 시료전극에 공급하는 상기 고주파전력의 진행파 전력을 Pf, 반사파 전력을 Pr로 하였을 때, 전력차 Pf-Pr의 값을 1msec에서 100msec 간격으로 샘플링하여, 전력차 Pf-Pr를 시간으로 적분한 값이 미리 설정한 값에 달한 시점에서, 고주파전력의 공급을 정지하는 것을 특징으로 하는 플라즈마도핑방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 플라즈마도핑처리 중간에, 플라즈마를 발생시킨 상태에서 가스의 종류, 가스유량, 압력, 고주파전력의 크기의 제어파라미터 중 적어도 하나의 제어파라미터를 변화시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마도핑방법.
  9. 진공용기,
    상기 진공용기 내에 가스를 공급하기 위한 가스공급장치,
    상기 진공용기 내를 배기하기 위한 배기장치,
    상기 진공용기 내를 소정의 압력으로 제어하기 위한 압력조절밸브,
    상기 진공용기 내에 시료를 얹어 놓기 위한 시료전극,
    플라즈마발생장치,
    2개의 가변 임피던스소자로서 토로이달 코어를 구비한 플라즈마발생장치용 정합회로, 및
    상기 플라즈마발생장치에 상기 플라즈마발생장치용 정합회로를 지나서 고주파전력을 공급하는 고주파전원을 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마도핑장치.
  10. 진공용기,
    상기 진공용기 내에 가스를 공급하는 가스공급장치,
    상기 진공용기 내를 배기하는 배기장치,
    상기 진공용기 내를 소정의 압력으로 제어하는 압력조절밸브,
    상기 진공용기 내에 시료를 얹어 놓는 시료전극,
    플라즈마발생장치,
    상기 플라즈마발생장치에 고주파전력을 공급하는 고주파전원,
    상기 시료전극(6)에 고주파전력을 공급하는 고주파전원,
    상기 플라즈마발생장치 또는 상기 시료전극에 공급하는 고주파전력의 진행파 전력을 Pf, 반사파 전력을 Pr로 하였을 때, 전력차 Pf-Pr의 값을 1msec에서 100msec 간격으로 샘플링하는 샘플러, 및
    상기 전력차 Pf-Pr를 시간으로 적분한 값이 미리 설정한 값에 달한 시점에서 고주파전력의 공급을 정지하는 제어장치를 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마도핑장치.
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