KR20070026635A - 안정되고 반복 가능한 플라즈마 이온 주입을 위한 방법 - Google Patents

안정되고 반복 가능한 플라즈마 이온 주입을 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 기판의 플라즈마 이온 주입을 위한 방법은, 공정 챔버, 공정 챔버 내에서 플라즈마를 생성시키는 공급원, 공정 챔버 내에 기판을 보유하는 플래튼, 플래튼으로부터 이격되는 양극 그리고 플라즈마로부터 기판 내로 이온을 가속시키는 주입 펄스를 발생시키는 펄스 전원을 갖는 플라즈마 이온 주입 시스템을 제공하는 단계를 포함한다. 하나의 태양에서, 주입 공정의 파라미터가 주입되는 이온과 기판 사이의 상호 작용의 바람직하지 못한 효과를 적어도 부분적으로 보상하기 위해 변화된다. 예컨대, 주입량 속도, 이온 에너지 또는 양쪽 모두가 주입 공정 동안에 변화될 수 있다. 또 다른 태양에서, 사전 처리 단계는 양극으로부터의 2차 전자의 방출을 유발시키기 위해 플라즈마로부터 양극으로 이온을 가속시키는 단계 그리고 기판의 사전 처리를 위해 양극으로부터 기판으로 2차 전자를 가속시키는 단계를 포함한다.
플라즈마 이온 주입을 위한 방법, 공정 챔버, 플라즈마 생성 공급원, 플래튼, 펄스 전원, 주입 제어기

Description

안정되고 반복 가능한 플라즈마 이온 주입을 위한 방법 {METHODS FOR STABLE AND REPEATABLE PLASMA ION IMPLANTATION}
본 발명은 기판의 플라즈마 이온 주입을 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 주입되는 이온과 기판 사이의 상호 작용의 바람직하지 못한 효과를 적어도 부분적으로 보상하는 방법에 관한 것이다.
이온 주입은 반도체 웨이퍼 내로 전도도-변화 불순물(conductivity-altering impurity)을 유입시키는 표준형 기술이다. 종래의 빔라인 이온 주입 시스템(beamline ion implantation system)에서, 원하는 불순물 재료가 이온 공급원 내에서 이온화되며, 이온은 규정된 에너지의 이온 빔을 형성하기 위해 가속되며, 이온 빔은 웨이퍼의 표면에서 유도된다. 빔 내의 에너지가 충만한 이온이 반도체 재료의 벌크 내로 관통하고 반도체 재료의 결정 격자 내로 꽂히고 그에 의해 원하는 전도도의 영역을 형성한다.
반도체 산업에서의 주지된 경향이 소형 고속 소자이다. 특히, 반도체 소자 내의 특징부의 측면 방향 치수 및 깊이의 양쪽 모두가 감소하고 있다. 도펀트 재료(dopant material)의 주입 깊이는 반도체 웨이퍼 내로 주입되는 이온의 에너지에 의해 적어도 부분적으로 결정된다. 빔라인 이온 주입기는 전형적으로 비교적 높은 주입 에너지에서 효율적인 동작을 위해 설계되고 얕은 정션 주입(shallow junction implantation)을 위해 요구되는 낮은 에너지에서 효율적으로 기능하지 못할 수 있다.
반도체 웨이퍼 내에 얕은 정션을 형성하는 플라즈마 도핑 시스템(plasma doping system)이 연구되었다. 플라즈마 도핑 시스템에서, 반도체 웨이퍼가 음극으로서 기능하고 공정 챔버 내에 위치되는 전도성 플래튼(conductive platen) 상에 위치된다. 원하는 도펀트 재료를 함유하는 이온화 가능한 공정 가스가 공정 챔버 내로 유입되며, 전압 펄스가 플래튼과 양극 또는 챔버 벽 사이에 인가되고, 그에 의해 웨이퍼의 부근에서 플라즈마 외피를 갖는 플라즈마의 형성을 유발시킨다. 인가된 펄스는 플라즈마 내의 이온이 플라즈마 외피를 횡단하게 하고 웨이퍼 내로 주입되게 한다. 주입의 깊이는 웨이퍼와 양극 사이에 인가된 전압과 관련된다. 매우 낮은 주입 에너지가 성취될 수 있다. 플라즈마 도핑 시스템이 예컨대 셍에게 1994년 10월 11일자로 허여된 미국 특허 제5,354,381호; 리버트 등에게 2000년 2월 1일자로 허여된 미국 특허 제6,020,592호; 및 괴크너 등에게 2001년 2월 6일자로 허여된 미국 특허 제6,182,604호에 기재되어 있다.
전술된 플라즈마 도핑 시스템에서, 인가된 전압 펄스는 플라즈마를 발생시키고 플라즈마로부터 웨이퍼를 향해 양이온을 가속시킨다. 플라즈마 잠입 시스템(plasma immersion system)으로서 알려져 있는 다른 형태의 플라즈마 시스템에서, 연속형 또는 펄스형 RF 에너지가 공정 챔버에 인가되고, 그에 의해 연속형 또는 펄스형 플라즈마를 생성시킨다. 어떤 간격으로, RF 펄스와 동기화될 수 있는 음전압 펄스가 플래튼과 양극 사이에 인가되고, 그에 의해 플라즈마 내의 양이온이 웨이퍼를 향해 가속되게 한다.
주입되는 표면이 바람직하지 못한 방식으로 주입되는 이온과 상호 작용할 수 있다. 예컨대, 이온 주입이 기판의 표면 상에 절연 또는 반-절연(semi-insulating) 구조물의 대전을 발생시킬 수 있다. 기판 표면 상의 포토리지스트 마스크(photoresist mask) 등의 피막 또는 층이 주입 동안에 가스를 해제시킬 수 있고 조성을 변화시킬 수 있다. 포토리지스트는 주입의 시작 시에 절연체일 수 있고 주입이 진행됨에 따라 더 전도성일 수 있다. 이들 효과는 불안정하고 및/또는 반복-불가능한 주입 상태를 유발시킬 수 있다.
플라즈마 이온 주입에서 이들 문제점을 처리하는 종래 기술의 접근법은 자외선으로 포토리지스트를 사전 처리하는 단계 또는 탈기를 감소시키기 위해 소성하는 단계를 포함한다. 또한, 포토리지스트는 불활성 이온 화학종의 플라즈마 이온 주입에 의해 또는 기판이 플라즈마로부터 전자를 추출하기 위해 양으로 바이어스되며 이들 추출된 전자가 포토리지스트를 사전 처리하는 플라즈마 잠입에 의해 사전 처리될 수 있다. 이들 접근법은 도펀트 재료의 이온 주입 전에 추가의 공정 단계를 요구하고 그에 의해 가공량을 감소시킨다.
빔라인 이온 주입 시스템은 포토리지스트 효과를 감소시키기 위해 낮은 초기 빔 전류를 사용하였다. 이러한 접근법은 빔라인 시스템에 적용되고, 빔의 공간 전하 분포를 변화시키고 그에 의해 주입 균일성 그리고 순간 주입량 속도(instantaneous dose rate)에 의존할 수 있는 주입 결함 발생에 영향을 주는 단 점을 갖는다. 빔라인 접근법은 또한 전자 플러드 건(electron flood gun) 등의 중화 시스템이 특정한 빔 전류 조건에 대해 최적화될 수 있으므로 전하 중화의 어려움을 일으킬 수 있다.
본 발명의 제1 태양에 따르면, 기판의 플라즈마 이온 주입을 위한 방법이 제공된다. 이 방법은, 공정 챔버, 공정 챔버 내에서 플라즈마를 생성시키는 공급원, 공정 챔버 내에 기판을 보유하는 플래튼 그리고 플라즈마로부터 기판 내로 이온을 가속시키는 주입 펄스를 발생시키는 펄스 전원을 포함하는 플라즈마 이온 주입 시스템을 제공하는 단계와; 어떤 주입량 속도를 갖는 주입 공정에 따라 기판의 플라즈마 이온 주입을 수행하는 단계와; 주입 공정 동안에 주입량 속도를 변화시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 제2 태양에 따르면, 기판의 플라즈마 이온 주입을 위한 방법이 제공된다. 이 방법은, 공정 챔버, 공정 챔버 내에서 플라즈마를 발생시키는 공급원, 공정 챔버 내에 기판을 보유하는 플래튼, 플래튼으로부터 이격되는 양극 그리고 플라즈마로부터 기판 내로 이온을 가속시키는 주입 펄스를 발생시키는 펄스 전원을 포함하는 플라즈마 이온 주입 시스템을 제공하는 단계와; 양극으로부터의 2차 전자의 방출을 유발시키기 위해 플라즈마로부터 양극으로 이온을 가속시키는 단계와; 양극으로부터 기판으로 2차 전자를 가속시키는 단계와; 주입 공정에 따라 기판의 플라즈마 이온 주입을 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제3 태양에 따르면, 기판의 플라즈마 이온 주입을 위한 방법이 제공된다. 이 방법은, 공정 챔버, 공정 챔버 내에서 플라즈마를 생성시키는 공급원, 공정 챔버 내에 기판을 보유하는 플래튼 그리고 플라즈마로부터 기판 내로 이온을 가속시키는 주입 펄스를 발생시키는 펄스 전원을 포함하는 플라즈마 이온 주입 시스템을 제공하는 단계와; 주입 공정에 따라 기판의 플라즈마 이온 주입을 수행하는 단계와; 주입되는 이온과 기판 사이의 상호 작용의 바람직하지 못한 효과를 적어도 부분적으로 보상하기 위해 주입 공정 동안에 이온 에너지를 조정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제4 태양에 따르면, 플라즈마 이온 주입 시스템은, 공정 챔버와; 공정 챔버 내에서 플라즈마를 생성시키는 공급원과; 공정 챔버 내에 기판을 보유하는 플래튼과; 플라즈마로부터 기판 내로 이온을 가속시키는 주입 펄스를 발생시키는 펄스 전원과; 어떤 주입량 속도를 갖는 주입 공정에 따라 기판의 플라즈마 이온 주입을 수행하도록 그리고 주입 공정 동안에 주입량 속도를 변화시키도록 구성되는 주입 제어기를 포함한다.
본 발명의 제5 태양에 따르면, 플라즈마 이온 주입 시스템은, 공정 챔버와; 공정 챔버 내에서 플라즈마를 발생시키는 공급원과; 공정 챔버 내에 기판을 보유하는 플래튼과; 플래튼으로부터 이격되는 양극과; 플라즈마로부터 기판 내로 이온을 가속시키는 주입 펄스를 발생시키는 펄스 전원과; 양극으로부터의 2차 전자의 방출을 유발시키기 위해 플라즈마로부터 양극으로 이온을 가속시키고 양극으로부터 기판으로 2차 전자를 가속시키는 전원을 포함한다.
본 발명의 제6 태양에 따르면, 플라즈마 이온 주입 시스템은, 공정 챔버와; 공정 챔버 내에서 플라즈마를 생성시키는 공급원과; 공정 챔버 내에 기판을 보유하는 플래튼과; 플라즈마로부터 기판 내로 이온을 가속시키는 주입 펄스를 발생시키는 펄스 전원과; 주입 공정에 따라 기판의 플라즈마 이온 주입을 수행하도록 그리고 주입되는 이온과 기판 사이의 상호 작용의 바람직하지 못한 효과를 적어도 부분적으로 보상하기 위해 주입 공정 동안에 이온 에너지를 조정하도록 구성되는 주입 제어기를 포함한다.
본 발명의 더 양호한 이해를 위해, 참조로 여기에 합체되는 첨부 도면이 언급된다.
도1은 플라즈마 이온 주입 시스템의 단순화된 개략 블록도이다.
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 이온 주입 시스템의 단순화된 개략 블록도이다.
도3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 이온 주입 시스템의 단순화된 개략 블록도이다.
도4A는 기판의 플라즈마 이온 주입 동안에 주입량 속도의 계단형 증가를 도시하는 주입량의 함수로서의 주입량 속도의 그래프이다.
도4B는 기판의 플라즈마 이온 주입 동안에 주입량 속도의 연속형 증가를 도시하는 주입량의 함수로서의 주입량 속도의 그래프이다.
도5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 이온 주입 시스템의 단순화된 개략 블록도이다.
도6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 플라즈마 이온 주입 시스템의 단순화된 개략 블록도이다.
도7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 기판의 플라즈마 이온 주입을 위한 방법의 흐름도이다.
본 발명의 실시를 위해 적절한 플라즈마 이온 주입 시스템의 예가 도1에 개략적으로 도시되어 있다. 본 발명의 실시예가 도2 내지 도7과 연계하여 기술된다. 도1 내지 도7에서 동일한 요소는 동일한 도면 부호를 갖는다.
공정 챔버(10)가 포위된 체적부(12)를 한정한다. 챔버(10) 내에 위치되는 플래튼(14)이 반도체 웨이퍼(20) 등의 기판을 보유하는 표면을 제공한다. 웨이퍼(20)는 예컨대 플래튼(14)의 평탄한 표면에 그 주연에서 클램핑될 수 있다. 하나의 실시예에서, 플래튼은 웨이퍼(20)를 지지하는 전기 전도성 표면을 갖는다. 또 다른 실시예에서, 플래튼은 웨이퍼(20)로의 연결을 위한 전도성 핀(도시되지 않음)을 포함한다.
양극(24)이 플래튼(14)과 이격된 관계로 챔버(10) 내에 위치된다. 양극(24)은 플래튼(14)에 직각으로 화살표의 방향(26)으로 이동 가능할 수 있다. 양극은 전형적으로 그 양쪽 모두가 접지부에 연결될 수 있는 챔버(10)의 전기 전도성 벽에 연결된다. 또 다른 실시예에서, 플래튼(14)은 접지부에 연결되며, 양극(24)에는 음전압으로 펄스가 인가된다. 추가의 실시예에서, 양극(24) 및 플래튼(14)의 양쪽 모두가 접지부에 대해 바이어스될 수 있다.
웨이퍼(20)[플래튼(14)을 거쳐] 및 양극(24)은 고전압 펄스 전원(30)에 연결되며, 그 결과 웨이퍼(20)는 음극으로서 기능한다. 펄스 전원(30)은 전형적으로 진폭이 약 20 내지 20,000 V의 범위 내에 있고 지속 기간이 약 1 내지 200 밀리초이고 펄스 반복 속도가 약 100 ㎐ 내지 20 ㎑인 펄스를 제공한다. 이들 펄스 파라미터 수치는 예로써 주어질 뿐이며 다른 수치가 본 발명의 범주 내에서 이용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
챔버(10)의 포위된 체적부(12)는 제어 가능한 밸브(32)를 통해 진공 펌프(34)에 커플링된다. 공정 가스 공급원(36)이 질량 유동 제어기(38)를 통해 챔버(10)에 커플링된다. 챔버(10) 내에 위치되는 압력 센서(48)가 제어기(46)에 챔버 압력을 지시하는 신호를 제공한다. 제어기(46)는 원하는 압력 입력과 감지된 챔버 압력을 비교하고 밸브(32) 또는 질량 유동 제어기(38)에 제어 신호를 제공한다. 제어 신호는 챔버 압력과 원하는 압력 사이의 차이를 최소화하기 위해 밸브(32) 또는 질량 유동 제어기(38)를 제어한다. 진공 펌프(34), 밸브(32), 질량 유동 제어기(38), 압력 센서(48) 및 제어기(46)가 폐쇄형 루프 압력 제어 시스템을 구성한다. 압력은 전형적으로 약 1 mTorr 내지 약 500 mTorr의 범위 내에서 제어되지만, 이러한 범위에 제한되지 않는다. 가스 공급원(36)은 피가공물 내로의 주입을 위해 원하는 도펀트를 함유하는 이온화 가능한 가스를 공급한다. 이온화 가능한 가스의 예는 BF3, N2, Ar, PH3, AsH3 및 B2H6를 포함한다. 질량 유동 제어기(38)는 가스가 챔버(10)로 공급되는 속도를 조절한다. 도1에 도시된 구성은 원 하는 유동 속도 및 일정한 압력에서 공정 가스의 연속 유동을 제공한다. 압력 및 가스 유동 속도는 바람직하게는 반복 가능한 결과를 제공하기 위해 조절된다. 또 다른 실시예에서, 가스 유동은 밸브(32)가 고정 위치에서 유지된 상태에서 제어기(46)에 의해 제어되는 밸브를 사용하여 조절될 수 있다. 이러한 배열은 상류 압력 제어(upstream pressure control)로서 호칭된다. 가스 압력을 조절하는 다른 구성이 이용될 수 있다.
플라즈마 도핑 시스템은 중공 음극 펄스 전원(56)에 연결되는 중공 음극(54)을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 중공 음극(54)은 양극(24)과 플래튼(14) 사이의 공간을 둘러싸는 전도성 중공 실린더를 포함한다. 중공 음극은 매우 낮은 이온 에너지를 요구하는 분야에서 이용될 수 있다. 특히, 중공 음극 펄스 전원(56)은 챔버(12) 내에서 플라즈마를 형성할 정도로 충분한 펄스 전압을 제공하며, 펄스 전원(30)은 원하는 주입 전압을 설정한다. 중공 음극의 사용에 대한 추가의 세부 사항이 참조로 여기에 합체되는 전술된 미국 특허 제6,182,604호 내에 제공되어 있다.
1개 이상의 패러데이 컵이 웨이퍼(20) 내로 주입된 이온 주입량을 측정하기 위해 플래튼(14)에 인접하게 위치될 수 있다. 도1의 실시예에서, 패러데이 컵(50, 52) 등은 웨이퍼(20)의 주연의 주위에서 균등하게 이격된다. 각각의 패러데이 컵은 플라즈마(40)와 대면하는 입구(60)를 갖는 전도성 포위부를 포함한다. 각각의 패러데이 컵은 바람직하게는 웨이퍼(20)에 실용적일 정도로 근접하게 위치되고 플라즈마(40)로부터 플래튼(14)을 향해 가속되는 양이온의 샘플을 가로챈다. 또 다 른 실시예에서, 환형 패러데이 컵이 웨이퍼(20) 및 플래튼(14)의 주위에 위치된다.
패러데이 컵은 주입량 처리기(70) 또는 다른 주입량 감시 회로에 전기적으로 연결된다. 입구(60)를 통해 각각의 패러데이 컵 내로 진입하는 양이온이 이온 전류를 나타내는 전류를 패러데이 컵에 연결된 전기 회로 내에서 생성시킨다. 주입량 처리기(70)는 이온 주입량을 결정하기 위해 전류를 처리할 수 있다.
플라즈마 이온 주입 시스템은 플래튼(14)을 둘러싸는 보호 링(66)을 포함할 수 있다. 보호 링(66)은 웨이퍼(20)의 모서리의 근처에서의 주입된 이온 분포의 균일성을 개선시키기 위해 바이어스될 수 있다. 패러데이 컵(50, 52)은 웨이퍼(20) 및 플래튼(14)의 주연의 근처에서 보호 링(66) 내에 위치될 수 있다.
플라즈마 이온 주입 시스템은 그 구성에 따라 추가의 부품을 포함할 수 있다. 연속형 또는 펄스형 RF 에너지를 이용하는 시스템은 안테나 또는 유도 코일에 커플링되는 RF 전원을 포함한다. 이 시스템은 전자를 구속하고 플라즈마 밀도 및 공간 분포를 제어하는 자기장을 제공하는 자성 소자를 포함할 수 있다. 플라즈마 이온 주입 시스템 내에서의 자성 소자의 사용은 예컨대 참조로 여기에 합체되는 2003년 6월 12일자로 공개된 제WO 03/049142호에 기재되어 있다.
동작 시, 웨이퍼(20)는 플래튼(14) 상에 위치된다. 압력 제어 시스템, 질량 유동 제어기(38) 및 가스 공급원(36)은 챔버(10) 내에 원하는 압력 및 가스 유동 속도를 생성시킨다. 예로써, 챔버(10)는 10 mTorr의 압력에서 BF3 가스와 동작할 수 있다. 펄스 전원(30)은 웨이퍼(20)에 일련의 고전압 펄스를 인가하고, 그에 의 해 웨이퍼(20)와 양극(24) 사이의 플라즈마 방전 영역(44) 내에서 플라즈마(40)의 형성을 유발시킨다. 당업계에 공지된 바와 같이, 플라즈마(40)는 가스 공급원(36)으로부터의 이온화 가능한 가스의 양이온을 함유한다. 플라즈마(40)는 웨이퍼(20)의 부근에서 전형적으로 웨이퍼(20)의 표면에서 플라즈마 외피(42)를 포함한다. 고전압 펄스 동안에 양극(24)과 플래튼(14) 사이에 존재하는 전기장은 플라즈마(40)로부터 플라즈마 외피(42)를 횡단하여 플래튼(14)을 향해 양이온을 가속시킨다. 가속된 이온은 불순물 재료의 영역을 형성하기 위해 웨이퍼(20) 내로 주입된다. 펄스 전압은 웨이퍼(20) 내의 원하는 깊이까지 양이온을 주입하기 위해 선택된다. 펄스의 개수 및 펄스 지속 기간은 웨이퍼(20) 내에 원하는 주입량의 불순물 재료를 제공하기 위해 선택된다. 펄스당 전류는 펄스 전압, 가스 압력 및 화학종 그리고 전극의 임의의 가변 위치의 함수이다. 예컨대, 음극과 양극 사이의 간격은 상이한 전압에 대해 조정될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 이온 주입 시스템의 단순화된 개략 블록도가 도2에 도시되어 있다. 플라즈마 주입 공정 보조 시스템(100)은 공정 제어 부품을 제외하면 도1에 도시된 플라즈마 이온 주입 시스템 부품 중 일부 또는 모두를 포함한다. 주입 제어기(110)가 어떤 주입 공정에 따라 플라즈마 이온 주입을 수행하기 위해 공정 보조 시스템(100)을 제어한다.
주입 공정은 예컨대 이온 화학종, 이온 에너지, 이온 주입량, 주입량 속도, 챔버 압력, 주입 펄스 파라미터 등의 파라미터를 특정할 수 있다. 어떤 실시예에서, 주입 제어기(110)는 파라미터가 프로그래밍되는 개방형 루프 구성에서 동작한 다. 주입 파라미터는 상수일 수 있거나, 파라미터 중 1개 이상이 주입 공정 동안에 사전에 프로그래밍된 변화를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 주입 제어기(110)는 적어도 1개의 선택 센서(120)가 공정 보조 시스템(100)의 파라미터를 감지하고 주입 제어기(110)에 센서 신호(122)를 제공하는 폐쇄형 루프 구성에서 동작할 수 있다. 주입 제어기(110)는 센서 신호(122)에 대응하여 공정 보조 시스템(100)의 1개 이상의 파라미터를 조정할 수 있다. 추가의 실시예에서, 주입 제어기(110)는 사전에 프로그래밍된 제어 및 폐쇄형 루프 피드백 제어의 조합을 이용할 수 있다.
주입 제어기(110)는 주입 공정을 제어하기 위해 그리고 특히 주입량 속도를 제어하기 위해 펄스 폭, 펄스 주파수, 이온 에너지, 플라즈마 밀도, RF 전력, 전기장, 자기장 및/또는 양극과 음극 사이의 간격 등의 공정 보조 시스템(100)의 파라미터를 조정할 수 있다. 이온 화학종 및 총 주입량은 대개 특정한 공정에 대해 고정된다. 고정되지 않은 파라미터는 개별적으로 또는 임의의 조합으로 조정될 수 있다.
주입량 속도는 주입 펄스 폭, 주입 펄스 주파수 또는 양쪽 모두를 포함하지만 그에 제한되지 않는 다수개의 파라미터를 제어함으로써 조정될 수 있다. 이온 에너지는 주입 펄스 진폭을 제어함으로써 조정될 수 있다. 플라즈마 밀도는 예컨대 입력 전력(DC 또는 RF), 전기장 또는 음극과 양극 사이의 간격을 제어함으로써 또는 플라즈마 구속(plasma confinement)을 제어함으로써 조정될 수 있다. 플라즈마 밀도의 제어는 나중에 주입량 속도를 제어한다. 펄스 폭, 펄스 주파수 및/또는 플라즈마 밀도 등의 파라미터는 신속하게 조정될 수 있고 그에 의해 주입 공정 동안에 주입량 속도의 동적 제어를 가능케 한다. 주입량 속도는 주입되는 이온과 기판 사이의 상호 작용의 바람직하지 못한 효과를 적어도 부분적으로 보상하기 위해 동적으로 변화될 수 있다. 이러한 효과는 포토리지스트 탈기(photoresist outgassing) 및 기판 대전(substrate charging)을 포함하지만 그에 제한되지 않는다.
주입 제어기(110)는 범용 컴퓨터(PC 등), 공정 제어기 또는 주입 공정이 프로그래밍되는 전용 제어기로서 실시될 수 있다. 상수 또는 변수 파라미터를 포함하는 주입 공정은 메모리 내에 저장될 수 있다.
센서(120)는 기판의 표면 상태, 기판으로부터의 탈기 및/또는 기판 대전 등의 공정 챔버 내의 다양한 상태를 감지할 수 있다. 예컨대, 탈기는 기판의 부근에서 압력 변화를 감지함으로써 감지될 수 있다. 잔류 가스 분석(RGA: residual gas analysis) 및 광학 방출 분광 분석(OES: optical emission spectroscopy) 등의 기술이 공정 챔버 파라미터를 감지하기 위해 이용될 수 있다. 전술된 바와 같이, 1개 이상의 센서가 이용될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 이온 주입 시스템의 단순화된 개략 블록도가 도3에 도시되어 있다. 도3의 실시예에서, 주입 제어기(110)는 주입량 속도, 이온 에너지 또는 양쪽 모두를 제어하는 펄스 전원(30)의 개방형 루프 제어를 제공한다. 예로써, 주입 제어기(110)는 사전에 프로그래밍된 주입 공정에 따라 주입량 속도를 제어할 수 있다. 주입 펄스 폭은 시간 또는 주입량의 함수로서 펄스 폭의 프로그래밍에 의해 각각의 펄스에서의 주입량을 직접적으로 제어하기 위해 동적으로 조정될 수 있다. 이것은 각각의 주입 펄스에서 주입된 전하량이 주입 환경 및 기판 표면 상태를 위해 최적화되게 한다. 펄스 반복 주파수는 시간 평균 주입량 속도가 조정되게 하기 위해 동일한 방식으로 조정될 수 있다. 어떤 실시예에서, 펄스 폭 및 펄스 반복 주파수의 양쪽 모두가 주입량 속도의 원하는 변화를 성취하기 위해 조정될 수 있다. 특정한 실시예에서, 주입량 속도는 단일의 기판의 플라즈마 주입 동안에 증가될 수 있다. 낮은 초기 주입량 속도가 포토리지스트로부터 억제된 탈기를 발생시키고 더 높은 주입량 속도에서의 후속의 주입 동안에 포토리지스트를 안정화시킨다.
주입량 속도는 예컨대 단계적으로 또는 연속적으로 조정될 수 있다. 가변 주입량 속도의 제1 예가 도4A에 도시되어 있다. 주입량 속도는 주입이 진행되면서 단계 130, 단계 132 및 단계 134에서 증가하며 주입된 주입량은 최종 주입량 속도(136)에 도달될 때까지 증가한다. 최종 주입량 속도(136)는 주입 공정의 잔여부 동안 고정 상태로 남아 있다. 단계의 개수 그리고 단계의 폭 및 진폭은 본 발명의 범주 내에서 변화될 수 있다. 주입량 속도가 주입의 적어도 일부에 걸쳐 연속적으로 증가하는 예가 도4B에 도시되어 있다. 주입량 속도는 주입의 초기 부분에 걸쳐서 초기 주입량 속도(142)로부터 최종 주입량 속도(144)까지 주입량 속도 곡선(140)에 따라 연속적으로 증가하며, 주입량 속도는 주입 공정의 잔여부 동안 고정 상태로 남아 있다. 도4B에서, 초기 주입량 속도(142), 주입량 속도 곡선(140)의 형상 및 시간 지속 기간 및 최종 주입량 속도(144)는 본 발명의 범주 내에서 변 화될 수 있다. 도4A 및 도4B의 각각에서, 유사한 형상의 주입량 속도 프로파일은 시간의 함수로서 주입량 속도를 작도함으로써 얻어질 것이다. 도4A 및 도4B에 도시된 것들과 같은 주입 공정 동안의 주입량 속도 변화는 주입 제어기(110) 내로 프로그래밍될 수 있다.
일반적으로, 최대치보다 작은 주입량 속도가 이용되는 주입의 분률을 제한하는 것이 바람직하다. 최대치보다 작은 주입량 속도의 연장된 기간은 전체의 주입 시간을 증가시킬 것이고 가공량을 감소시킬 것이다.
펄스당 주입량 속도 그리고 시간 평균 주입량 속도를 제어하는 것에 대한 대체예로서 또는 그 추가예에서, 순간 주입량 속도는 주입 동안에 플라즈마 밀도를 변화시킴으로써 동적으로 제어될 수 있다. 이러한 제어 기술은 플라즈마 발생의 방법에 의존하지만 RF 또는 마이크로파 전력 등의 플라즈마 공급원에 인가되거나 그에 의해 흡수되는 전력의 제어, 예컨대 자성 또는 정전기 소자를 제어함으로써 수행되는 플라즈마 구속의 제어 그리고 예컨대 양극과 음극 사이의 간격을 조정함으로써 중성 가스 밀도(neutral gas density) 또는 플라즈마 스케일 길이(plasma scale length)를 제어함으로써 수행되는 이온화의 효율의 제어를 포함한다.
주입 깊이는 주입 동안에 주입 펄스의 진폭을 변화시킴으로써 동적으로 제어될 수 있다. 이것은 주입된 화학종의 깊이 프로파일을 변화시키지만, 이러한 효과는 휘발성 화학종의 탈기 등의 효과를 감소시키면서 제한될 수 있다. 추가로, 주입 펄스 후의 충분한 전하 중화를 보증하기 위해 펄스형 플라즈마 실시예에서 플라즈마 펄스 폭을 주입 펄스 폭보다 길게 하는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 중화 전자를 공급하기 위해 중공 전극 펄스 전원(56)(도1) 등의 대체 플라즈마 전원을 사용하여 성취될 수 있다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 이온 주입 시스템의 단순화된 개략 블록도가 도5에 도시되어 있다. 주입량 속도 및/또는 이온 에너지의 폐쇄형 루프 제어를 위한 시스템이 도시되어 있다. 센서(120)가 공정 챔버(10)의 파라미터를 감지하고 주입 제어기(100)에 센서 신호(122)를 제공한다. 센서 신호(122)에 대응하여, 주입 제어기(110)는 주입 펄스 폭, 주입 펄스 주파수 및 주입 펄스 진폭 등의 펄스 전원(30)의 1개 이상의 파라미터를 제어한다. 센서(120)는 압력 제어 파라미터, 기판 전압, 웨이퍼 바이어스 공급 전류, 현장 대전 모니터, 광학 방출 분광 분석, 잔류 가스 분석, 푸리에 변환 적외선 기반 가스 분석(Fourier transformation infrared based gas analysis) 또는 플라즈마 방전의 비디오 분석 등의 주입 가공 환경으로부터 피드백을 제공한다. 1개 이상의 센서가 주입 제어기(110)에 센서 신호를 제공할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 주입 제어기(110)는 주입 시스템의 동작이 정상 동작 범위 내에 있는지를 결정하기 위해 감지된 파라미터의 분석을 수행할 수 있다. 감지된 파라미터 중 1개 이상이 정상 동작 범위의 외부측에 있으면, 제어 신호가 전술된 바와 같이 주입량 속도를 조정하기 위해 펄스 전원(30)에 제공될 수 있다. 조정은 정상 범위 내에서 동작 조건을 이동시키기 위해 선택된다.
본 발명의 제4 실시예가 도6 및 도7을 참조하여 기술된다. 도6은 본 발명의 제4 실시예에 따라 2차 전자로의 기판(20)의 사전 처리를 위해 구성되는 플라즈마 이온 주입 시스템의 단순화된 개략 블록도이다. 도7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 기판의 플라즈마 이온 주입을 위한 방법을 도시하는 흐름도이다.
사전 처리 단계 동안에, 펄스 전원(30)(도1)은 양극(24) 및 플래튼(14)으로부터 단절되거나 아니면 가동 중단된다. 사전 처리 전원(200)은 양극(24)이 플래튼(14)에 대해 음으로 바이어스되도록 양극(24) 및 플래튼(14)에 연결된다. 플래튼(14)은 접지될 수 있거나 양으로 바이어스될 수 있다. 전원(200)은 양극(24)에 음의 바이어스 전압 즉 -V를 공급할 수 있다. 플라즈마 방전 영역(44) 내의 플라즈마(40)는 전원(200)에 의해 또는 별개의 플라즈마 전원(도6에 도시되지 않음)에 의해 개시 및 유지될 수 있다. 플라즈마(40)는 후속의 주입을 위해 도펀트 재료의 이온을 함유할 수 있거나 불활성 가스의 이온을 함유할 수 있다. 플라즈마(40) 내의 양이온은 음으로-바이어스된 양극(24)을 향해 가속되고 그와 충돌한다. 양이온의 충돌은 양극(24)의 표면으로부터 2차 전자 방출을 발생시킨다. 2차 전자는 양극(24)과 대면한 상태로 위치되는 기판(20)의 표면을 향해 음의 양극 바이어스 전위에 의해 가속된다. 기판은 바이어스 또는 접지될 수 있으며, 그 결과 2차 전자의 정미 에너지는 방출 에너지 + 양극 바이어스와 기판(20)에 인가된 임의의 바이어스 사이의 차이이다. 시스템을 위한 접지 기준이 기판 자체에 의해 또는 또 다른 접지된 표면에 의해 공급될 수 있다.
에너지가 충만한 2차 전자는 기판(22) 상의 포토리지스트 마스크를 사전 처리하고 후속의 이온 주입 단계 동안에 탈기를 감소시킨다. 2차 전자는 포토리지스트 마스크에 의한 탈기가 이온 주입 전에 실질적으로 끝날 정도로 충분한 에너지 및 주입량을 갖는다. 이것은 이온 주입이 포토리지스트 탈기의 효과로부터 비교적 자유롭게 하고 낮은 에너지의 전자 또는 음으로 대전된 이온에 대한 노출을 최소화하고 전기 전하 불균형을 중화하기 위해 양이온이 전자 노출 동안에 기판 표면에 도달하게 한다.
사전 처리 단계를 위한 적절한 가스 화학종은 BF3, AsF5, N2, Ar, PH3, AsH3 및 B2H6를 포함할 수 있지만 그에 제한되지 않는다. 양극(24)에 인가된 전압은 -500 V 내지 -20 ㎸의 범위 내일 수 있다. 적절한 전자 주입량은 1E15 내지 1E17 ㎝-2의 범위 내일 수 있다.
도7을 참조하면, 이온이 단계 250에서 2차 전자 방출을 유발시키기 위해 플라즈마(40)로부터 양극(24)으로 가속된다. 전술된 바와 같이, 양으로 대전된 이온이 양극(24) 상의 음의 바이어스에 의해 플라즈마(40)로부터 양극(24)으로 가속된다. 동일한 음의 바이어스가 기판(20)의 사전 처리를 위해 양극(24)으로부터 기판(20)으로 2차 전자를 가속시킨다. 2차 전자 충격은 포토리지스트 탈기 등의 바람직하지 못한 효과가 실질적으로 끝날 때까지 계속된다. 그 다음에, 플라즈마 이온 주입 시스템은 플라즈마 이온 주입을 위해 구성된다. 예컨대, 사전 처리 전원(200)은 단절 또는 가동 중단될 수 있으며, 펄스 전원(30)은 도1에 도시된 바와 같이 그리고 전술된 바와 같이 가동될 수 있다. 그 다음에, 기판(20)의 플라즈마 이온 주입이 규정된 주입 공정에 따라 단계 254에서 수행된다. 어떤 실시예에서, 주입량 속도, 이온 에너지 또는 양쪽 모두 등의 플라즈마 이온 주입 공정의 파라미 터가 주입되는 이온과 기판 사이의 상호 작용의 바람직하지 못한 효과를 적어도 부분적으로 보상하기 위해 주입 공정 동안에 변화된다. 요구된 파라미터 변화는 사전 처리 단계의 결과로서 감소될 수 있다. 다른 실시예에서, 주입 공정의 파라미터는 플라즈마 이온 주입 동안에 일정하게 유지될 수 있다.
본 발명의 적어도 1개의 실시예의 여러 개의 태양을 이와 같이 기술하였지만, 다양한 변화, 수정 및 개선이 당업자에게 용이하게 착상될 것이라는 것이 이해되어야 한다. 이러한 변경, 수정 및 개선은 본 발명의 개시 내용의 일부라고 생각되며, 본 발명의 사상 및 범주 내에 있다고 생각된다. 따라서, 위의 설명 및 도면은 예로써 주어졌을 뿐이다.

Claims (33)

  1. 기판의 플라즈마 이온 주입을 위한 방법에 있어서,
    공정 챔버, 공정 챔버 내에서 플라즈마를 생성시키는 공급원, 공정 챔버 내에 기판을 보유하는 플래튼 그리고 플라즈마로부터 기판 내로 이온을 가속시키는 주입 펄스를 발생시키는 펄스 전원을 포함하는 플라즈마 이온 주입 시스템을 제공하는 단계와;
    어떤 주입량 속도를 갖는 주입 공정에 따라 기판의 플라즈마 이온 주입을 수행하는 단계와;
    주입 공정 동안에 주입량 속도를 변화시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 주입량 속도를 변화시키는 단계는 주입 공정 동안에 주입량 속도를 증가시키는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 주입량 속도를 변화시키는 단계는 주입 공정 동안에 1개 이상의 단계로 주입량 속도를 증가시키는 단계를 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 주입량 속도를 변화시키는 단계는 주입 공정의 적어도 일부 동안에 연속적으로 주입량 속도를 증가시키는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 주입량 속도를 변화시키는 단계는 주입 펄스의 펄스 폭을 변화시키는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 주입량 속도를 변화시키는 단계는 주입 펄스의 펄스 주파수를 변화시키는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 주입량 속도를 변화시키는 단계는 주입 펄스의 펄스 폭 및 펄스 주파수를 변화시키는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 주입량 속도를 변화시키는 단계는 주입 공정에 의해 특정된 바와 같이 주입량 속도를 조정하는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 주입량 속도를 변화시키는 단계는 플라즈마 이온 주입 시스템의 파라미터를 감지하는 단계 그리고 감지된 파라미터를 기초로 하여 주입량 속도를 제어하는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 파라미터를 감지하는 단계는 기판으로부터의 탈기를 감지하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제9항에 있어서, 파라미터를 감지하는 단계는 기판 대전을 감지하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제9항에 있어서, 파라미터를 감지하는 단계는 기판 표면 상태를 감지하는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제9항에 있어서, 파라미터를 감지하는 단계는 공정 챔버 내의 압력을 감지하는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제9항에 있어서, 파라미터를 감지하는 단계는 잔류 가스 분석기로 파라미터를 감지하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제9항에 있어서, 파라미터를 감지하는 단계는 광학 방출 분광 분석에 의해 파라미터를 감지하는 단계를 포함하는 방법.
  16. 제9항에 있어서, 주입량 속도를 제어하는 단계는 주입 펄스의 적어도 1개의 파라미터를 제어하는 단계를 포함하는 방법.
  17. 제9항에 있어서, 주입량 속도를 제어하는 단계는 감지된 파라미터의 설정점을 유지시키는 단계를 포함하는 방법.
  18. 제1항에 있어서, 주입 공정 동안에 주입량 속도를 변화시키는 단계는 공정 챔버 내의 플라즈마의 플라즈마 밀도를 조정하는 단계를 포함하는 방법.
  19. 제1항에 있어서, 전원은 RF 전원을 포함하며 주입 공정 동안에 주입량 속도를 변화시키는 단계는 RF 전원의 RF 전력을 조정하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 제1항에 있어서, 주입 공정 동안에 주입량 속도를 변화시키는 단계는 공정 챔버 내의 전기장을 조정하는 단계를 포함하는 방법.
  21. 제1항에 있어서, 주입 공정 동안에 주입량 속도를 변화시키는 단계는 공정 챔버 내의 자기장을 조정하는 단계를 포함하는 방법.
  22. 제1항에 있어서, 플라즈마 이온 주입 시스템은 플래튼으로부터 이격되는 양극을 추가로 포함하며 주입 공정 동안에 주입량 속도를 변화시키는 단계는 양극과 플래튼 사이의 간격을 조정하는 단계를 포함하는 방법.
  23. 기판의 플라즈마 이온 주입을 위한 방법에 있어서,
    공정 챔버, 공정 챔버 내에서 플라즈마를 발생시키는 공급원, 공정 챔버 내에 기판을 보유하는 플래튼, 플래튼으로부터 이격되는 양극 그리고 플라즈마로부터 기판 내로 이온을 가속시키는 주입 펄스를 발생시키는 펄스 전원을 포함하는 플라즈마 이온 주입 시스템을 제공하는 단계와;
    양극으로부터의 2차 전자의 방출을 유발시키기 위해 플라즈마로부터 양극으로 이온을 가속시키는 단계와;
    양극으로부터 기판으로 2차 전자를 가속시키는 단계와;
    주입 공정에 따라 기판의 플라즈마 이온 주입을 수행하는 단계
    를 포함하는 방법.
  24. 제23항에 있어서, 2차 전자는 약 500 eV 내지 20 keV의 범위 내의 에너지를 갖는 방법.
  25. 제23항에 있어서, 양극에는 전자 방출성 재료가 코팅되는 방법.
  26. 제23항에 있어서, 양극은 플라즈마에 대해 음으로 바이어스되는 방법.
  27. 제26항에 있어서, 플래튼은 접지되는 방법.
  28. 제26항에 있어서, 플래튼은 양으로 바이어스되는 방법.
  29. 제26항에 있어서, 중공 음극이 양극과 플라즈마 사이의 플라즈마 방전 영역 을 둘러싸며 중공 음극은 접지되는 방법.
  30. 기판의 플라즈마 이온 주입을 위한 방법에 있어서,
    공정 챔버, 공정 챔버 내에서 플라즈마를 생성시키는 공급원, 공정 챔버 내에 기판을 보유하는 플래튼 그리고 플라즈마로부터 기판 내로 이온을 가속시키는 주입 펄스를 발생시키는 펄스 전원을 포함하는 플라즈마 이온 주입 시스템을 제공하는 단계와;
    주입 공정에 따라 기판의 플라즈마 이온 주입을 수행하는 단계와;
    주입되는 이온과 기판 사이의 상호 작용의 바람직하지 못한 효과를 적어도 부분적으로 보상하기 위해 주입 공정 동안에 이온 에너지를 조정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  31. 공정 챔버와;
    공정 챔버 내에서 플라즈마를 생성시키는 공급원과;
    공정 챔버 내에 기판을 보유하는 플래튼과;
    플라즈마로부터 기판 내로 이온을 가속시키는 주입 펄스를 발생시키는 펄스 전원과;
    어떤 주입량 속도를 갖는 주입 공정에 따라 기판의 플라즈마 이온 주입을 수행하도록 그리고 주입 공정 동안에 주입량 속도를 변화시키도록 구성되는 주입 제어기
    를 포함하는 플라즈마 이온 주입 시스템.
  32. 공정 챔버와;
    공정 챔버 내에서 플라즈마를 발생시키는 공급원과;
    공정 챔버 내에 기판을 보유하는 플래튼과;
    플래튼으로부터 이격되는 양극과;
    플라즈마로부터 기판 내로 이온을 가속시키는 주입 펄스를 발생시키는 펄스 전원과;
    양극으로부터의 2차 전자의 방출을 유발시키기 위해 플라즈마로부터 양극으로 이온을 가속시키고 양극으로부터 기판으로 2차 전자를 가속시키는 전원
    을 포함하는 플라즈마 이온 주입 시스템.
  33. 공정 챔버와;
    공정 챔버 내에서 플라즈마를 생성시키는 공급원과;
    공정 챔버 내에 기판을 보유하는 플래튼과;
    플라즈마로부터 기판 내로 이온을 가속시키는 주입 펄스를 발생시키는 펄스 전원과;
    주입 공정에 따라 기판의 플라즈마 이온 주입을 수행하도록 그리고 주입되는 이온과 기판 사이의 상호 작용의 바람직하지 못한 효과를 적어도 부분적으로 보상하기 위해 주입 공정 동안에 이온 에너지를 조정하도록 구성되는 주입 제어기
    를 포함하는 플라즈마 이온 주입 시스템.
KR1020067027013A 2004-05-24 2005-05-09 안정되고 반복 가능한 플라즈마 이온 주입을 위한 방법 KR101126376B1 (ko)

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