KR20050034731A - Removal of plasma deposited surface layers by dilution gas sputtering - Google Patents

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Abstract

A method for limiting the formation of a deposited surface layer on a workpiece, such as a semiconductor wafer, during plasma implantation includes introducing a dopant gas and a dilution gas into a plasma doping chamber for ionization to form dopant gas ions and dilution gas ions, and accelerating the dopant gas ions and the dilution gas ions toward the workpiece. The dopant gas ions are implanted into the workpiece, and the dilution gas ions remove a deposited surface layer from the workpiece. The atomic masses of the dopant gas and the dilution gas may be similar to achieve efficient removal of the deposited surface layer.

Description

희석 가스 스퍼터링에 의한 플라즈마 증착 표면층의 제거 {Removal of Plasma Deposited Surface Layers by Dilution Gas Sputtering}Removal of Plasma Deposited Surface Layers by Dilution Gas Sputtering

본 발명은 작업편의 이온 주입을 위해 사용되는 플라즈마 도핑 시스템에 관한 것이고, 특히, 희석 가스 스퍼터링에 의한 플라즈마 증착 표면층을 제거하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a plasma doping system used for ion implantation of a workpiece, and more particularly, to a method and apparatus for removing a plasma deposition surface layer by diluting gas sputtering.

플라즈마 도핑 시스템은 반도체 웨이퍼 내에 얕은 접합을 형성하기 위해 연구되어 왔다. 플라즈마 도핑 시스템에서, 반도체 웨이퍼는 캐소드로 작용하는 도전성 플래튼 상에 위치되어 플라즈마 도핑 챔버 내에 위치된다. 이온화 가능한 도펀트 가스는 챔버 내로 도입되고, 전압 펄스는 플래튼과 애노드 또는 챔버벽 사이에 인가되어 도펀트 가스의 이온을 포함하는 플라즈마를 형성한다. 플라즈마는 웨이퍼 주변에 플라즈마 외피를 갖는다. 인가된 펄스는 플라즈마 내의 이온이 플라즈마 외피를 가로질러 웨이퍼 내로 주입되게 한다. 주입의 깊이는 웨이퍼와 애노드 사이에 인가된 전압과 관련 있다. 매우 낮은 주입 에너지가 달성된다. 예를 들어, 플라즈마 도핑 시스템은 1994년 10월 11일 셍에게 허여된 미국 특허 제5,354,381호, 2000년 2월 1일 리버트 등에게 허여된 미국 특허 제6,020,592호 및 2001년 2월 6일 조크너 등에게 허여된 미국 특허 제6,182,604에 개시되어 있다.Plasma doping systems have been studied to form shallow junctions in semiconductor wafers. In a plasma doping system, a semiconductor wafer is placed on a conductive platen acting as a cathode and positioned in a plasma doping chamber. An ionizable dopant gas is introduced into the chamber and a voltage pulse is applied between the platen and the anode or chamber wall to form a plasma comprising ions of the dopant gas. The plasma has a plasma envelope around the wafer. The applied pulse causes ions in the plasma to be injected into the wafer across the plasma envelope. The depth of implantation is related to the voltage applied between the wafer and the anode. Very low implantation energy is achieved. For example, plasma doping systems include U.S. Patent No. 5,354,381 to Seng, Oct. 11, 1994, U.S. Patent No. 6,020,592 to Libert, et al. US Patent No. 6,182,604 to et al.

상기 기술된 플라즈마 도핑 시스템에서, 인가된 전압 펄스는 플라즈마를 발생시키고 플라즈마에서 웨이퍼로 양이온을 가속한다. 플라즈마 침지 시스템으로 알려진 플라즈마 시스템의 다른 형태에서, 예를 들면, 플라즈마 도핑 챔버의 내부 또는 외부에 위치한 안테나로부터의 유도 결합 RF 전력에 의해 연속 플라즈마가 생성된다. 안테나는 RF 전력 공급원에 연결된다. 때때로, 전압 펄스가 플래튼과 애노드 사이에 인가되어, 플라즈마 내의 이온이 웨이퍼로 가속되게 한다. In the plasma doping system described above, an applied voltage pulse generates a plasma and accelerates cations from the plasma to the wafer. In another form of plasma system known as a plasma immersion system, continuous plasma is generated by, for example, inductively coupled RF power from an antenna located inside or outside the plasma doping chamber. The antenna is connected to an RF power source. Sometimes a voltage pulse is applied between the platen and the anode, causing ions in the plasma to be accelerated to the wafer.

플라즈마 주입을 위해 사용되는 도펀트 가스종은 주입 공정동안 분해되어 웨이퍼 상에 증착된 표면층을 형성할 수 있다. 이러한 도펀트 가스종의 예로 AsH3, PH3 및 B2H6을 포함한다. 예를 들어, 아르신 가스(AsH3)는 As, AsH 및 AsH2로 분해되어, 주입되는 웨이퍼의 표면상에 증착될 수 있다. 이러한 증착된 표면층은 비반복성, 열악한 선량(dose) 균일성 및 계측 문제를 발생시킨다. 따라서, 플라즈마 주입동안 알맞은 공정 제어를 달성하기 위해 이러한 층의 형성을 방지 또는 제한하는 방법 및 장치가 필요하다.Dopant gas species used for plasma implantation may decompose during the implantation process to form a surface layer deposited on the wafer. Examples of such dopant gas species include AsH 3 , PH 3 and B 2 H 6 . For example, arsine gas (AsH 3 ) can be broken down into As, AsH and AsH 2 and deposited on the surface of the wafer being implanted. Such deposited surface layers create non-repeatability, poor dose uniformity and metrology problems. Thus, what is needed is a method and apparatus for preventing or limiting the formation of such layers to achieve proper process control during plasma injection.

본 발명을 더 잘 이해하기 위해, 본 명세서에 참고로 합체된 첨부 도면을 참조하기로 한다.To better understand the present invention, reference is made to the accompanying drawings, which are incorporated herein by reference.

도1은 플라즈마 도핑 시스템의 단순화된 개략적인 블록도이다.1 is a simplified schematic block diagram of a plasma doping system.

도2는 제1 실시예에 따른 가스 공급 시스템의 블록도이다.2 is a block diagram of a gas supply system according to the first embodiment.

도3은 제2 실시예에 따른 가스 공급 시스템의 블록도이다.3 is a block diagram of a gas supply system according to a second embodiment.

본 발명의 일 태양에 따라, 플라즈마 주입동안 작업편 상에 증착된 표면층의 형성을 제한하기 위한 방법이 제공된다. 이러한 방법은 도펀트 가스 이온 및 희석 가스 이온을 형성하도록 이온화하기 위해 플라즈마 도핑 챔버 내로 도펀트 가스 및 희석 가스를 도입하는 단계와, 작업편을 향해 도펀트 가스 이온 및 희석 가스 이온을 가속시키는 단계를 포함한다. 도펀트 가스 이온은 작업편 내로 주입되고, 희석 가스 이온은 작업편으로부터 증착된 표면층을 제거한다. 작업편은 반도체 웨이퍼일 수 있다.In accordance with one aspect of the present invention, a method is provided for limiting the formation of a surface layer deposited on a workpiece during plasma injection. The method includes introducing a dopant gas and a dilution gas into the plasma doping chamber to ionize to form dopant gas ions and dilution gas ions, and accelerating the dopant gas ions and the dilution gas ions toward the workpiece. Dopant gas ions are implanted into the workpiece, and diluent gas ions remove the deposited surface layer from the workpiece. The workpiece can be a semiconductor wafer.

도펀트 가스 및 희석 가스의 원자 질량은 증착된 표면층의 효과적인 제거를 달성하기 위해 비슷할 수 있다. 도펀트 가스에 대한 희석 가스의 비율은 증착된 표면층을 제거하기 위해 이들이 형성될 때 선택된다. 임의의 실시예에서는, 높은 비율의 희석 가스가 이용된다. 임의의 실시예에서는, 불활성 희석 가스가 이용된다. 일 실시예에서, 도펀트 가스는 아리신이고, 희석 가스는 크립톤 또는 크세논이다. 이러한 실시예에서, 도펀트 가스에 대한 희석 가스의 비율은 대략 50이 된다. 다른 실시예에서, 도펀트 가스는 포스핀이고, 희석 가스는 아르곤이다. 추가적인 실시예에서, 도펀트 가스는 B2H6이고, 희석 가스는 네온이다. 임의의 실시예에서, 희석 가스는 할로겐과 같은 화학적 활성 성분을 포함한다. 임의의 실시예에서, 화학적 활성 성분은 플루오르 또는 염소로 구성된다. 일 실시예에서, 희석 가스는 불활성 가스 및 플루오르이다.The atomic mass of dopant gas and diluent gas may be similar to achieve effective removal of the deposited surface layer. The ratio of diluent gas to dopant gas is selected when they are formed to remove the deposited surface layer. In some embodiments, a high proportion of diluent gas is used. In some embodiments, an inert diluent gas is used. In one embodiment, the dopant gas is arycin and the diluent gas is krypton or xenon. In this embodiment, the ratio of diluent gas to dopant gas is approximately 50. In another embodiment, the dopant gas is phosphine and the diluent gas is argon. In a further embodiment, the dopant gas is B 2 H 6 and the diluent gas is neon. In certain embodiments, the diluent gas comprises a chemically active component such as halogen. In certain embodiments, the chemically active ingredient consists of fluorine or chlorine. In one embodiment, the diluent gas is an inert gas and fluorine.

임의의 실시예에서, 도펀트 가스 및 희석 가스는 플라즈마 도핑 챔버 내로 개별적으로 도입된다. 다른 실시예에서, 도펀트 가스 및 희석 가스는 플라즈마 도핑 챔버 내로 도입되기 이전에 미리 혼합된다.In some embodiments, the dopant gas and the diluent gas are introduced separately into the plasma doping chamber. In another embodiment, the dopant gas and the diluent gas are premixed before they are introduced into the plasma doping chamber.

본 발명의 다른 태양에 따라, 플라즈마 도핑 장치가 제공된다. 플라즈마 도핑 장치는 플라즈마 도핑 챔버, 작업편을 지지하기 위해 플라즈마 도핑 챔버 내에 위치한 플래튼, 플라즈마 도핑 챔버 내의 플래튼으로부터 이격되어 있는 애노드, 플라즈마 도핑 챔버에 연결되는 공정 가스 공급원 및 펄스 공급원을 포함한다. 공정 가스 공급원은 플라즈마 도핑 챔버 내로 도펀트 가스 및 희석 가스를 도입하고, 도펀드 가스 이온 및 희석 가스 이온을 포함하는 플라즈마는 애노드와 플래튼 사이의 플라즈마 방전 영역에서 생성된다. 펄스 공급원은 작업편으로 이온을 가속하기 위해 플래튼과 애노드 사이에 펄스를 인가한다. 도펀트 가스 이온은 작업편으로 주입되고, 희석 가스 이온은 작업편으로부터 증착된 표면층을 제거한다.According to another aspect of the invention, a plasma doping apparatus is provided. The plasma doping apparatus includes a plasma doping chamber, a platen located in the plasma doping chamber to support the workpiece, an anode spaced apart from the platen in the plasma doping chamber, a process gas source connected to the plasma doping chamber, and a pulse source. The process gas source introduces dopant gas and diluent gas into the plasma doping chamber, and a plasma comprising dopant gas ions and diluent gas ions is generated in the plasma discharge region between the anode and the platen. The pulse source applies a pulse between the platen and the anode to accelerate ions into the workpiece. Dopant gas ions are implanted into the workpiece, and diluent gas ions remove the deposited surface layer from the workpiece.

본 발명의 추가적인 태양에 따라, 플라즈마 주입을 위한 방법이 제공된다. 이러한 방법은 도펀트 가스 이온을 형성하도록 이온화하기 위해 제1 챔버 내로 도펀트 가스를 도입하는 단계와, 작업편을 향해 도펀트 가스 이온을 가속하는 단계를 포함하고, 도펀트 가스 이온은 작업편 내로 주입되어 제2 챔버내로 희석 가스를 도입하고 작업편을 향해 희석 가스 이온을 가속시키고, 희석 가스 이온은 작업편으로부터 증착된 표면층을 제거한다. 제1 및 제2 챔버는 동일한 챔버 또는 상이한 챔버일 수 있다. 제1 및 제2 챔버가 동일한 챔버일 때, 챔버 내로의 도펀트 가스 주입 단계 및 챔버 내로의 희석 가스 주입 단계는 동시에 또는 연속하여 수행될 수 있다.According to a further aspect of the invention, a method for plasma injection is provided. The method includes introducing a dopant gas into the first chamber to ionize to form dopant gas ions, and accelerating the dopant gas ions toward the workpiece, wherein the dopant gas ions are implanted into the workpiece to form a second Diluent gas is introduced into the chamber and the dilution gas ions are accelerated toward the workpiece, which dilute gas ions remove the deposited surface layer from the workpiece. The first and second chambers may be the same chamber or different chambers. When the first and second chambers are the same chamber, the dopant gas injection step into the chamber and the dilution gas injection step into the chamber may be performed simultaneously or sequentially.

본 발명의 작업을 위한 적당한 플라즈마 도핑 시스템의 예가 도1에 개략적으로 도시된다. 플라즈마 도핑 챔버(10)는 차폐된 부피(12)를 형성한다. 챔버(10) 내에 위치된 플래튼(14)은 반도체 웨이퍼(20)와 같은 작업편을 유지하기 위한 표면을 제공한다. 예를 들면, 웨이퍼(20)는 플래튼(14)의 평면의 외주에 고정될 수 있다. 일 실시예에서, 플래튼은 웨이퍼(20)를 지지하기 위한 도전성 면을 갖는다. 다른 실시예에서, 플래튼은 웨이퍼(20)에 연결하기 위한 (도시되지 않은) 도전성 핀을 포함한다. 웨이퍼(20) 및 플래튼(14)은 플라즈마 도핑 시스템 내에서 캐소드로 작용한다.An example of a suitable plasma doping system for the operation of the present invention is schematically illustrated in FIG. The plasma doping chamber 10 forms a shielded volume 12. The platen 14 located in the chamber 10 provides a surface for holding a workpiece such as the semiconductor wafer 20. For example, the wafer 20 may be secured to the outer periphery of the plane of the platen 14. In one embodiment, the platen has a conductive face for supporting the wafer 20. In another embodiment, the platen includes conductive pins (not shown) for connecting to the wafer 20. Wafer 20 and platen 14 act as cathodes in the plasma doping system.

애노드(24)는 플래튼(14)에 대해 이격되어 챔버(10) 내에 위치된다. 애노드(24)는 화살표(26)로 표시된 플래튼(14)에 수직인 방향으로 이동가능하다. 애노드는 통상적으로 챔버(10)의 도전성 벽에 연결되는데, 이들 벽은 둘 다 접지되도록 연결될 수 있다. 다른 구조에서는, 플래튼(14)이 접지되도록 연결되고, 애노드(24)가 진동하게 된다.The anode 24 is located in the chamber 10 spaced apart from the platen 14. The anode 24 is movable in a direction perpendicular to the platen 14 indicated by the arrow 26. The anode is typically connected to the conductive wall of the chamber 10, both of which may be connected to ground. In another structure, the platen 14 is connected to ground, and the anode 24 is vibrated.

애노드(24)가 접지되도록 연결된 구조에서, (플래튼(14)을 통해) 웨이퍼(20)는 고전압 펄스 공급원(30)에 연결된다. 펄스 공급원(30)은 통상적으로 약 100 내지 5,000 볼트의 진폭, 약 1 내지 50 마이크로초의 시간 및 약 100 Hz 내지 2kHz의 펄스 진동수의 범위 내에서 펄스를 제공한다. 이러한 펄스 파라미터 값은 단지 예로써 주어진 것이고 다른 값이 활용될 수 있다는 것을 이해할 수 있다. In the structure in which the anode 24 is connected to ground, the wafer 20 (via the platen 14) is connected to the high voltage pulse source 30. Pulse source 30 typically provides pulses within a range of amplitudes of about 100 to 5,000 volts, time of about 1 to 50 microseconds, and pulse frequency of about 100 Hz to 2 kHz. It is to be understood that these pulse parameter values are given by way of example only and other values may be utilized.

챔버(10)의 둘러싸인 부피(12)는 제어 가능한 밸브(32)를 통해 진공 펌프(34)에 연결된다. 공정 가스 공급원(36)은 질량 흐름 제어기(38)를 통해 챔버(10)에 연결된다. 챔버(10) 내에 위치한 압력 센서(44)는 제어기(46)에 챔버 압력의 신호 표시를 제공한다. 제어기(46)는 요구되는 압력 입력과 감지된 챔버 압력을 비교하여 밸브(32)에 제어 신호를 제공한다. 제어 신호는 챔버 압력과 요구되는 압력 사이의 차이를 최소화하도록 밸브(32)를 제어한다. 진공 펌프(34), 밸브(32), 압력 센서(44) 및 제어기(46)는 폐쇄된 루프 압력 제어 시스템을 구성한다. 압력은 통상적으로 약 1 내지 약 500 밀리토르(millitorr)의 범위 내에서 제어되지만, 이 범위로 제한되는 것은 아니다. 가스 공급원(36)은 작업편 내로 주입하기 위해 요구되는 도펀트를 포함한 이온화 가스를 제공한다. 이온화 가스의 예로 BF3, N2, PH3, AsH3, B2H6, F, Cl, Ne, Ar, Kr 및 Xe을 포함한다. 질량 흐름 제어기(38)는 가스가 챔버(10)에 공급되는 비율을 조절한다. 도1에 도시된 구조는 일정한 가스 유량 및 일정한 압력으로 연속적인 흐름의 공정 가스를 제공한다. 압력 및 가스 유량은 반복 가능한 결과를 제공하도록 조절될 수 있다.The enclosed volume 12 of the chamber 10 is connected to the vacuum pump 34 via a controllable valve 32. Process gas source 36 is connected to chamber 10 via mass flow controller 38. The pressure sensor 44 located in the chamber 10 provides a signal indication of the chamber pressure to the controller 46. The controller 46 compares the required pressure input with the sensed chamber pressure and provides a control signal to the valve 32. The control signal controls the valve 32 to minimize the difference between the chamber pressure and the required pressure. The vacuum pump 34, the valve 32, the pressure sensor 44 and the controller 46 constitute a closed loop pressure control system. The pressure is typically controlled in the range of about 1 to about 500 millitorr, but is not limited to this range. Gas source 36 provides an ionizing gas, including the dopant, required to inject into the workpiece. Examples of ionizing gases include BF 3 , N 2 , PH 3 , AsH 3 , B 2 H 6 , F, Cl, Ne, Ar, Kr and Xe. Mass flow controller 38 regulates the rate at which gas is supplied to chamber 10. The structure shown in Figure 1 provides a continuous flow of process gas at a constant gas flow rate and constant pressure. Pressure and gas flow rates can be adjusted to provide repeatable results.

플라즈마 도핑 시스템은 중공 캐소드 펄스 공급원(56)에 연결된 중공 캐소드(54)를 포함한다. 일 실시예에서, 중공 전극(54)은 애노드(24)와 플래튼(14) 사이의 공간을 둘러싸는 도전성 중공 실린더를 포함한다. 중공 캐소드의 사용에 관한 추가적인 상세한 고려는 전술한 미국 특허 제6,182,604호에서 제공되며, 본 명세서에서 참조로 합체된다. The plasma doping system includes a hollow cathode 54 connected to the hollow cathode pulse source 56. In one embodiment, hollow electrode 54 includes a conductive hollow cylinder that encloses the space between anode 24 and platen 14. Further detailed considerations regarding the use of hollow cathodes are provided in the aforementioned US Pat. No. 6,182,604, which is incorporated herein by reference.

하나 이상의 패러데이 컵은 웨이퍼(20)내에 주입되는 이온 선량을 측정하기 위해 플래튼(14)에 근접하게 위치될 수 있다. 도1의 실시예에서, 환형의 패러데이 컵(50, 52)은 웨이퍼(20)의 외주 주위에 위치한다. 패러데이 컵(50, 52)은 선량 프로세서(70) 또는 다른 선량 모니터링 회로에 전기적으로 연결된다. 플라즈마 도핑 시스템은 플래튼(14)을 둘러싸는 보호링(66)을 포함할 수 있다. 보호링(66)은 웨이퍼(20)의 에지 근처의 주입된 이온 분포의 균일성을 증진시키도록 편향될 수 있다.One or more Faraday cups may be positioned proximate to the platen 14 to measure the ion dose implanted into the wafer 20. In the embodiment of Figure 1, annular Faraday cups 50, 52 are located around the outer circumference of the wafer 20. Faraday cups 50, 52 are electrically connected to dose processor 70 or other dose monitoring circuitry. The plasma doping system may include a protective ring 66 surrounding the platen 14. Protective ring 66 may be deflected to enhance uniformity of implanted ion distribution near the edge of wafer 20.

작동시에, 웨이퍼(20)는 플래튼(14) 상에 위치된다. 압력 제어 시스템, 질량 흐름 제어기(38) 및 가스 공급원(36)은 챔버(10) 내에 요구되는 압력 및 가스 유량을 제공한다. 펄스 공급원(30)은 웨이퍼(20)에 일련의 고전압 펄스를 인가하여, 웨이퍼(20)와 애노드(24) 사이의 플라즈마 방전 영역(48)에 플라즈마(40)를 형성시킨다. 본 기술에서 알 수 있는 바와 같이, 플라즈마(40)는 가스 공급원(36)으로부터의 이온화 가스의 양이온을 포함한다. 플라즈마(40)는 통상적으로 웨이퍼(20)의 표면 근처에 플라즈마 외피(42)를 포함한다. 고전압 펄스 동안에 애노드(24)와 플래튼(14) 사이에 제공되는 전기장은 플라즈마(40)에서 플래튼(14)으로 플라즈마 외피(42)를 가로질러 양이온을 가속한다. 가속된 이온은 웨이퍼(20) 내로 주입되어 불순물 재료 영역을 형성한다. 웨이퍼(20) 내에 요구되는 깊이로 양이온을 주입하기 위한 펄스 전압이 선택된다. 웨이퍼(20) 내로 불순물 재료의 요구되는 선량을 제공하기 위한 다수의 펄스 및 펄스 지속 시간이 선택된다. 펄스 당 전류는 펄스 전압, 가스 압력, 가스 종류 및 전극의 임의의 가변 위치의 함수이다. In operation, the wafer 20 is positioned on the platen 14. The pressure control system, mass flow controller 38 and gas source 36 provide the pressure and gas flow rates required within the chamber 10. The pulse source 30 applies a series of high voltage pulses to the wafer 20 to form a plasma 40 in the plasma discharge region 48 between the wafer 20 and the anode 24. As can be seen in the art, the plasma 40 includes cations of ionizing gas from the gas source 36. The plasma 40 typically includes a plasma envelope 42 near the surface of the wafer 20. The electric field provided between the anode 24 and the platen 14 during the high voltage pulse accelerates positive ions across the plasma envelope 42 from the plasma 40 to the platen 14. Accelerated ions are implanted into the wafer 20 to form an impurity material region. The pulse voltage for injecting cations to the required depth in the wafer 20 is selected. Multiple pulses and pulse durations are selected to provide the desired dose of impurity material into the wafer 20. The current per pulse is a function of pulse voltage, gas pressure, gas type and any variable position of the electrode.

상기에서 알수 있는 바와 같이, 플라즈마 주입을 위해 사용되는 도펀트 가스종은 주입 공정 동안에 분해되어 웨이퍼(20) 상에 증착된 표면층을 형성할 수 있다. 도펀트 가스종의 예로 AsH3(아르신), PH3(포스핀) 및 B2H6을 포함할 수 있다. 예를 들면, 아르신 가스는 As, AsH 및 AsH2 로 분해되어, 웨이퍼(20)의 표면 상에 증착될 수 있다. 이러한 증착된 표면층은 선량 비반복성, 열악한 선량 균일성 및 계측 문제를 일으킨다.As can be seen above, the dopant gas species used for plasma implantation can decompose during the implantation process to form the surface layer deposited on the wafer 20. Examples of dopant gas species may include AsH 3 (arcin), PH 3 (phosphine) and B 2 H 6 . For example, arsine gas may be decomposed into As, AsH and AsH 2 and deposited on the surface of the wafer 20. Such deposited surface layers cause dose non-repeatability, poor dose uniformity and metrology problems.

증착된 표면층의 형성은 도펀트 가스를 갖는 플라즈마 도핑 챔버(10) 내로 희석 가스를 도입함으로써 감소되거나 제거될 수 있다. 희석 가스 분자는 이온화되어 웨이퍼의 표면에 충격을 주는데, 이것이 형성될 때 증착된 표면층의 스퍼터링이 발생한다. The formation of the deposited surface layer can be reduced or eliminated by introducing diluent gas into the plasma doping chamber 10 with the dopant gas. Dilution gas molecules are ionized to impact the surface of the wafer, which occurs when sputtering of the deposited surface layer occurs.

플라즈마 도핑 챔버(10) 내로 도펀트 가스 및 희석 가스를 도입하기 위한 가스 공급 시스템의 예는 도2 및 도3에 도시된다. 도2에서, 도펀트 가스 공급원(100)은 질량 흐름 제어기(102)를 통해 플라즈마 도핑 챔버(10)에 연결되고, 희석 가스 공급원(110)은 질량 흐름 제어기(112)를 통해 플라즈마 도핑 챔버(10)에 연결된다. 또한, 도펀트 가스 공급원 및 희석 가스 공급원은 개별적으로 제어된다. 도3의 실시예에서, 예혼합 가스 공급원(120)은 질량 흐름 제어기(122)를 통해 플라즈마 도핑 챔버(10)에 연결된다. 예혼합 가스 공급원(120)은 요구되는 비율로 도펀트 가스 및 희석 가스를 포함한다.Examples of gas supply systems for introducing dopant gas and diluent gas into the plasma doping chamber 10 are shown in FIGS. 2 and 3. In FIG. 2, the dopant gas source 100 is connected to the plasma doping chamber 10 via a mass flow controller 102, and the dilution gas source 110 is connected to the plasma doping chamber 10 through a mass flow controller 112. Is connected to. In addition, the dopant gas source and the diluent gas source are individually controlled. In the embodiment of FIG. 3, the premixed gas source 120 is connected to the plasma doping chamber 10 via a mass flow controller 122. Premixed gas source 120 includes dopant gas and diluent gas in the required proportions.

대체로, 희석 가스 파라미터는 웨이퍼(20)상에 증착된 표면층의 형성을 제한하도록 선택된다. 도펀트 가스 및 희석 가스의 원자 질량은 증착된 표면층의 효과적인 제거를 달성하기 위해 비슷할 수 있다. 또한, 도펀트 가스에 대한 희석 가스의 비율은 형성되는 증착된 표면층을 제거하도록 선택된다. 임의의 실시예에서는, 높은 비율의 희석 가스가 사용된다. 희석 가스가 도펀트 가스보다 덜 효과적으로 이온화되기 때문에 높은 비율이 사용될 수 있고, 희석 가스의 더 높은 비율은 증착된 표면층의 요구되는 제거를 달성하기 위해 필요하다. 임의의 실시예에서는, 불활성 희석 가스가 활용된다.In general, the dilution gas parameter is selected to limit the formation of the surface layer deposited on the wafer 20. The atomic mass of dopant gas and diluent gas may be similar to achieve effective removal of the deposited surface layer. In addition, the ratio of diluent gas to dopant gas is selected to remove the deposited surface layer formed. In some embodiments, a high proportion of diluent gas is used. Since a diluent gas is ionized less effectively than a dopant gas, a high ratio can be used, and a higher ratio of diluent gas is necessary to achieve the required removal of the deposited surface layer. In some embodiments, an inert diluent gas is utilized.

일 실시예에서, 도펀트는 아리신 가스이고, 희석 가스는 크립톤 또는 크세논일 수 있다. 이러한 실시예에서, 도펀트 가스에 대한 희석 가스의 비율은 약 50일 수 있다. 그 결과, 플라즈마 도핑 챔버(10) 내의 가스는 98%가 희석 가스이고, 2%가 도펀트 가스이다. 다른 실시예에서, 도펀트 가스는 포스핀이고, 희석 가스는 아르곤이다. 이러한 실시예에서의 도펀트 가스에 대한 희석 가스의 비율은 역시 약 50일 수 있다. 추가적인 실시예에서, 도펀트 가스는 B2H6이고, 희석 가스는 네온이다.In one embodiment, the dopant is lysine gas and the diluent gas may be krypton or xenon. In such embodiments, the ratio of diluent gas to dopant gas may be about 50. As a result, the gas in the plasma doping chamber 10 is 98% diluent gas and 2% dopant gas. In another embodiment, the dopant gas is phosphine and the diluent gas is argon. The ratio of diluent gas to dopant gas in this embodiment may also be about 50. In a further embodiment, the dopant gas is B 2 H 6 and the diluent gas is neon.

상기에 기술된 실시예에서, 희석 가스는 불활성 가스이고, 증착된 표면층은 물리적인 스퍼터링에 의해 제거된다. 다른 실시예에서, 희석 가스의 성분은 화학적 활성을 가질 수 있다. 특히, 희석 가스의 성분은 증착된 표면층의 결합을 약화시키고 스퍼터링을 위해 요구되는 에너지를 감소시키도록 선택되어, 화학적으로 증진된 스퍼터링을 생성할 수 있다. 임의의 실시예에서는, 플루오르 또는 염소 원자와 같은 가스를 포함하는 할로겐이 사용된다. 특정한 일 실시예에서, 희석 가스는 상기에서 기술된 바와 같은 불활성 가스 및 플루오르의 혼합물이다. 불활성 가스 및 플루오르의 혼합물은 물리적 스퍼터링 및 화학적으로 증진된 스퍼터링의 조합을 생성한다. 희석 가스의 화학적 활성 성분은 기판 상에 안정된 고체 표면층을 형성하지 않는 종이 되어야 한다.In the embodiment described above, the diluent gas is an inert gas and the deposited surface layer is removed by physical sputtering. In other embodiments, the components of the diluent gas may have chemical activity. In particular, the components of the diluent gas may be selected to weaken the bonding of the deposited surface layer and reduce the energy required for sputtering, resulting in chemically enhanced sputtering. In certain embodiments, halogens containing gases such as fluorine or chlorine atoms are used. In one particular embodiment, the diluent gas is a mixture of inert gas and fluorine as described above. The mixture of inert gas and fluorine produces a combination of physical sputtering and chemically enhanced sputtering. The chemically active component of the diluent gas should be a species that does not form a stable solid surface layer on the substrate.

증착된 표면층의 형성을 감소 또는 제거하는 공정은 형성되는 증착된 표면층을 제거하도록 플라즈마 주입과 동시에 플라즈마 도핑 챔버 내로 희석 가스의 도입을 포함하는 것으로 상기에서 기술되었다. 다른 실시예에서, 증착된 표면층은 후속하는 플라즈마 주입으로 제거될 수 있다. 예를 들면, 플라즈마 주입은 요구되는 도펀트 가스 및 희석되지 않은 가스를 사용함으로써 수행될 수 있다. 플라즈마 주입의 완료 후에, 플라즈마 도핑 챔버는 도펀트 가스로 세척할 수 있고, 희석 가스는 플라즈마 도핑 챔버 내로 도입될 수 있다. 희석 가스는 플라즈마를 형성하기 위해 이온화되고, 희석 가스 이온은 증착된 표면층을 제거하기 위해 웨이퍼를 향해 가속된다. 이러한 실시예에서, 증착된 표면층은 형성된 뒤에 제거된다. 상기에 기술된 희석 가스는 이러한 실시예에서 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 비록 가스가 도펀트 가스를 희석하지 않더라도, "희석 가스"는 증착된 표면층의 제거를 위해 사용되는 가스를 말한다. 추가적인 실시예에서, 플라즈마 주입 및 희석 가스 스퍼터링에 의한 증착된 표면층의 제거는 상이한 공정 챔버에서 수행될 수 있다.The process of reducing or eliminating the formation of the deposited surface layer has been described above including the introduction of diluent gas into the plasma doping chamber simultaneously with plasma injection to remove the deposited surface layer formed. In another embodiment, the deposited surface layer may be removed by subsequent plasma injection. For example, plasma injection can be performed by using the required dopant gas and undiluted gas. After completion of the plasma injection, the plasma doping chamber may be washed with the dopant gas and the dilution gas may be introduced into the plasma doping chamber. Dilution gas is ionized to form a plasma, and dilution gas ions are accelerated toward the wafer to remove the deposited surface layer. In this embodiment, the deposited surface layer is removed after it is formed. The diluent gas described above can be used in this embodiment. In this embodiment, although the gas does not dilute the dopant gas, "diluent gas" refers to the gas used for removal of the deposited surface layer. In further embodiments, removal of the deposited surface layer by plasma injection and dilution gas sputtering may be performed in a different process chamber.

희석 가스로 인한 증착된 표면층의 감소는 여러 기술에 의해 측정되어 왔다. X선 광전자 분광학 장치(XPS)는 아르곤 희석 가스를 갖는 경우와 아르곤 희석 가스가 없는 경우에 인의 표면 농도의 양을 측정하는데 사용된다. 웨이퍼 내의 두 경우의 깊이에 대해 측정이 이루어졌고, 실리콘(즉, 주입된 부분) 내로 더욱 깊게 인의 양을 현저하게 변경하지 않고 표면 인의 우선적인 제거를 보여주었다. 이에 대한 증거는 아르곤 희석 가스를 갖는 경우와 아르곤 희석 가스가 없는 경우에 인 깊이 프로파일로 이루어진 제2의 이온 질량 분석(SIMS) 측정에 의해 확인되었다. 프로파일은 웨이퍼 표면을 제외하고 거의 동일하고, 아르곤 희석 가스를 구비하여 이루어진 주입은 매우 낮은 상대적인 표면 인 농도를 보여주었다. 크세논 희석 가스를 갖는 경우와 크세논 희석 가스가 없는 경우에 아르신 주입에 대해 유사한 SIMS 측정이 이루어졌고, 인의 경우와 유사한 결과가 얻어졌다. 또한, 수소 가스에 의한 희석은 이러한 효과를 제공하지 못하고, 인 주입의 경우에 아르곤을 크세논으로 바꾼 것은 증가된 증착 효과를 보여주었다. 이는 희석 가스종의 질량 의존 효과를 나타낸다.The reduction of the deposited surface layer due to the diluent gas has been measured by various techniques. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) is used to measure the amount of phosphorus surface concentration with and without argon diluent gas. Measurements were made on the depth of both cases in the wafer and showed preferential removal of surface phosphorus without significantly altering the amount of phosphorus deeper into the silicon (ie implanted portion). Evidence was confirmed by a second ion mass spectrometry (SIMS) measurement with a phosphorus depth profile with and without argon diluent gas. The profile is almost the same except for the wafer surface, and the implants made with argon diluent gas showed very low relative surface phosphorus concentrations. Similar SIMS measurements were made for arsine injection with and without xenon diluent gas, with similar results as for phosphorus. In addition, dilution with hydrogen gas did not provide this effect, and in the case of phosphorus implantation, switching argon to xenon showed an increased deposition effect. This shows the mass dependent effect of the diluting gas species.

본 발명의 바람직한 실시예가 본 명세서에 도시되고 개시되어 있지만, 다양한 변경 및 수정이 첨부된 청구 범위에 의해 한정되는 바와 같이 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있음은 이 기술 분야의 숙련자들에게 명백할 것이다.While preferred embodiments of the invention have been shown and described herein, it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made without departing from the scope of the invention as defined by the appended claims. something to do.

Claims (25)

플라즈마 주입동안 작업편 상에 증착된 표면층의 형성을 제한하는 방법이며,A method of limiting the formation of a surface layer deposited on a workpiece during plasma injection, 도펀트 가스 이온 및 희석 가스 이온을 형성하도록 이온화하기 위해 플라즈마 도핑 챔버 내로 도펀트 가스 및 희석 가스를 도입하는 단계와,Introducing a dopant gas and a dilution gas into the plasma doping chamber to ionize to form dopant gas ions and dilution gas ions, 작업편을 향해 도펀트 가스 및 희석 가스를 가속시키는 단계를 포함하고,Accelerating the dopant gas and the diluent gas toward the workpiece, 도펀트 가스 이온은 작업편 내로 주입되고, 희석 가스 이온은 작업편으로부터 증착된 표면층을 제거하는 방법.Dopant gas ions are implanted into the workpiece, and dilute gas ions remove the deposited surface layer from the workpiece. 제1항에 있어서, 도펀트 가스 및 희석 가스의 원자 질량은 대략적으로 동일한 방법.The method of claim 1, wherein the atomic masses of the dopant gas and the diluent gas are approximately the same. 제1항에 있어서, 도펀트 가스에 대한 희석 가스의 비율은 증착된 표면층이 형성될 때 증착된 표면층을 제거하도록 선택되는 방법.The method of claim 1, wherein the ratio of diluent gas to dopant gas is selected to remove the deposited surface layer when the deposited surface layer is formed. 제1항에 있어서, 도펀트 가스에 대한 희석 가스의 비율이 상대적으로 높은 방법.The method of claim 1 wherein the ratio of diluent gas to dopant gas is relatively high. 제1항에 있어서, 도펀트 가스에 대한 희석 가스의 비율이 약 50인 방법.The method of claim 1 wherein the ratio of diluent gas to dopant gas is about 50. 제1항에 있어서, 도펀트 가스 및 희석 가스를 도입하는 단계는 불활성 희석 가스를 도입하는 단계를 포함하는 방법.The method of claim 1, wherein introducing the dopant gas and the diluent gas comprises introducing an inert diluent gas. 제1항에 있어서, 도펀트 가스는 아르신을 포함하고, 희석 가스는 크립톤 또는 크세논을 포함하는 방법.The method of claim 1, wherein the dopant gas comprises arsine and the diluent gas comprises krypton or xenon. 제1항에 있어서, 도펀트 가스는 포스핀을 포함하고, 희석 가스는 아르곤을 포함하는 방법.The method of claim 1 wherein the dopant gas comprises phosphine and the diluent gas comprises argon. 제1항에 있어서, 도펀트 가스는 B2H6을 포함하고, 희석 가스는 네온을 포함하는 방법.The method of claim 1, wherein the dopant gas comprises B 2 H 6 and the diluent gas comprises neon. 제1항에 있어서, 도펀트 가스 및 희석 가스를 도입하는 단계는 플라즈마 도핑 챔버에 도펀트 가스 및 희석 가스를 개별적으로 공급하는 단계를 포함하는 방법.The method of claim 1, wherein introducing the dopant gas and the dilution gas comprises separately supplying the dopant gas and the diluent gas to the plasma doping chamber. 제1항에 있어서, 도펀트 가스 및 희석 가스를 도입하는 단계는 플라즈마 도핑 챔버 내로 도입하기 전에 도펀트 가스 및 희석 가스를 미리 혼합하는 단계를 포함하는 방법.The method of claim 1, wherein introducing the dopant gas and the diluent gas comprises premixing the dopant gas and the diluent gas before introducing into the plasma doping chamber. 제1항에 있어서, 희석 가스는 화학적 활성 성분을 포함하는 방법.The method of claim 1 wherein the diluent gas comprises a chemically active ingredient. 제1항에 있어서, 희석 가스는 할로겐 원자를 포함하는 방법.The method of claim 1 wherein the diluent gas comprises a halogen atom. 제1항에 있어서, 희석 가스는 플루오르 또는 염소를 포함하는 방법.The method of claim 1 wherein the diluent gas comprises fluorine or chlorine. 제1항에 있어서, 희석 가스는 플루오르를 포함하는 방법.The method of claim 1 wherein the diluent gas comprises fluorine. 제1항에 있어서, 희석 가스는 불활성 가스 및 플루오르를 포함하는 방법.The method of claim 1 wherein the diluent gas comprises an inert gas and fluorine. 플라즈마 도핑 챔버와,A plasma doping chamber, 작업편을 지지하기 위해 상기 플라즈마 도핑 챔버 내에 위치하는 플래튼과,A platen located in the plasma doping chamber to support a workpiece; 상기 플라즈마 도핑 챔버의 상기 플래튼으로부터 이격된 애노드와,An anode spaced from the platen of the plasma doping chamber; 상기 플라즈마 도핑 챔버 내로 도펀트 가스 및 희석 가스를 도입하기 위해 상기 플라즈마 도핑 챔버에 연결되는 공정 가스 공급원과, A process gas source connected to the plasma doping chamber for introducing dopant gas and diluent gas into the plasma doping chamber; 플라즈마에서 작업편으로 이온을 가속하기 위해 상기 플래튼과 상기 애노드 사이에 펄스를 제공하기 위한 펄스 공급원을 포함하고, A pulse source for providing a pulse between the platen and the anode to accelerate ions from a plasma to a workpiece, 도펀트 가스 및 희석 가스의 이온을 포함하는 플라즈마는 상기 애노드와 상기 플래튼 사이의 플라즈마 방전 영역에서 생성되고,A plasma comprising ions of a dopant gas and a diluent gas is generated in a plasma discharge region between the anode and the platen, 도펀트 가스 이온은 작업편 내에 주입되고, 희석 가스 이온은 작업편으로부터 적층된 표면층을 제거하는 플라즈마 도핑 장치.Dopant gas ions are implanted into the workpiece, and dilution gas ions remove the stacked surface layer from the workpiece. 제17항에 있어서, 상기 공정 가스 공급원은 상기 플라즈마 도핑 챔버에 연결된 도펀트 가스 공급원과, 상기 플라즈마 도핑 챔버에 연결된 희석 가스 공급원을 포함하는 플라즈마 도핑 장치.18. The plasma doping apparatus of claim 17, wherein the process gas source comprises a dopant gas source connected to the plasma doping chamber and a diluent gas source connected to the plasma doping chamber. 제17항에 있어서, 상기 공정 가스 공급원은 플라즈마 도핑 챔버에 연결된 예혼합 가스 공급원을 포함하고, 상기 예혼합 가스 공급원은 요구되는 비율로 도펀트 가스 및 희석 가스를 포함하는 플라즈마 도핑 장치.18. The plasma doping apparatus of claim 17, wherein the process gas source comprises a premixed gas source coupled to a plasma doping chamber, wherein the premixed gas source comprises a dopant gas and a diluent gas in a desired ratio. 플라즈마 주입을 위한 방법이며,Method for plasma injection, 도펀트 가스 이온을 형성하도록 이온화하기 위해 제1 챔버 내로 도펀트 가스를 도입하는 단계와,Introducing a dopant gas into the first chamber to ionize to form dopant gas ions, 작업편을 향해 도펀트 가스 이온을 가속시켜, 도펀트 가스 이온이 작업편 내로 주입되게 하는 단계와,Accelerating the dopant gas ions toward the workpiece such that dopant gas ions are injected into the workpiece, 희석 가스 이온을 형성하도록 이온화하기 위해 제2 챔버 내로 희석 가스를 도입하는 단계와,Introducing a dilution gas into the second chamber to ionize to form dilution gas ions, 작업편을 향해 희석 가스 이온을 가속시켜, 희석 가스 이온이 작업편으로부터 증착된 표면층을 제거하게 하는 단계를 포함하는 방법.Accelerating the dilution gas ions toward the workpiece such that the dilution gas ions remove the deposited surface layer from the workpiece. 제20항에 있어서, 제1 및 제2 챔버는 동일한 챔버이고, The method of claim 20, wherein the first and second chambers are the same chamber, 챔버 내로 도펀트 가스를 도입하는 단계와 챔버 내로 희석 가스를 도입하는 단계가 동시에 수행되는 방법.Introducing a dopant gas into the chamber and introducing a diluent gas into the chamber at the same time. 제20항에 있어서, 제1 및 제2 챔버는 동일한 챔버이고, The method of claim 20, wherein the first and second chambers are the same chamber, 챔버 내로 희석 가스를 도입하는 단계는 챔버 내로 도펀트 가스를 도입하는 단계 이후에 수행되는 방법.Introducing the diluent gas into the chamber is performed after introducing the dopant gas into the chamber. 제20항에 있어서, 제2 챔버 내로 희석 가스를 도입하는 단계는 제1 챔버 내로 도펀트 가스를 도입하는 단계 이후에 수행되는 방법.21. The method of claim 20, wherein introducing diluent gas into the second chamber is performed after introducing dopant gas into the first chamber. 제20항에 있어서, 제1 및 제2 챔버는 동일한 챔버인 방법.The method of claim 20, wherein the first and second chambers are the same chamber. 제20항에 있어서, 제1 및 제2 챔버는 상이한 챔버인 방법.The method of claim 20, wherein the first and second chambers are different chambers.
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