KR20100114194A - 플라즈마 이온 도핑 장치 및 플라즈마 이온 도핑 방법 - Google Patents

플라즈마 이온 도핑 장치 및 플라즈마 이온 도핑 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의하면, 플라즈마 이온 도핑 장치는 공정챔버; 상기 공정챔버 내에 플라즈마를 생성하는 소스; 상기 공정챔버 내에 기판을 지지하는 플레이튼(platen); 상기 플라즈마 내의 이온들을 상기 기판을 향하여 가속시키기 위한 주입펄스를 인가하는 주입펄스소스를 포함하되, 상기 주입펄스의 펄스폭은 기설정된 시간 동안 점진적으로 증가한다. 상기 주입펄스의 주기는 기설정된 사간 동안 점진적으로 증가할 수 있다.
주입펄스, 주입펄스소스, 주기, 펄스폭, 진폭

Description

플라즈마 이온 도핑 장치 및 플라즈마 이온 도핑 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PLASMA ION DOPING}
본 발명은 플라즈마 이온 도핑 장치 및 플라즈마 이온 도핑 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 점진적으로 펄스폭이 증가하는 주입펄스를 인가하는 플라즈마 이온 도핑 장치 및 플라즈마 이온 도핑 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 접합 주입(shallow junction implantation)을 위해 요구되는 낮은 에너지에서 효율적으로 기능하지 못할 수 있다.
반도체 웨이퍼 내에 얕은 접합(shallow junctions)을 형성시키기 위해, 그리고 고전류 및 상대적으로 낮은 에너지의 이온들이 요구되는 다른 응용 분야에 사용하기 위해 플라즈마 도핑 시스템(plasma doping system)이 연구되어 왔다. 플라즈마 도핑 시스템에서, 반도체 웨이퍼가 음극(cathode)으로 기능하고 공정 챔버 내에 위치되는 전도성 플래튼(conductive platen) 상에 위치된다. 원하는 도펀트(dopant) 재료를 함유하는 이온화 가능한 공정 가스가 공정 챔버 내로 유입되며, 전압 펄스가 플래튼과 양극 또는 챔버 벽 사이에 인가되고, 그에 의해 웨이퍼의 부근에서 플라즈마 쉬스(plasma sheath)를 갖는 플라즈마의 형성을 유발시킨다. 인가된 펄스는 플라즈마 내의 이온이 플라즈마 쉬스를 횡단하게 하고 웨이퍼 내로 주입되게 한다. 주입의 깊이는 웨이퍼와 양극 사이에 인가된 전압과 관련된다. 매우 낮은 주입 에너지가 성취될 수 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(예를 들면 유도결합된 RF 파워에 의해 내부 또는 외부에 위치한 안테나로부터 공정챔버에 인가되며, 안테 나는 RF 파워에 연결됨), 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.
일반적으로, 플라즈마 도핑 시스템은 빔 라인 이온 주입 시스템보다 낮은 에너지에서 높은 전류를 전달한다. 그럼에도 불구하고, 주입 시간을 감소시키고 이에 따라 산출량(throughput)을 증가시키기 위해서는 이온 전류를 증가시키는 것이 바람직하다. 플라즈마 도핑 시스템에 있어서 이온 전류는 플라즈마 밀도의 함수라는 것이 알려져 있다. 또한 플라즈마 도핑 챔버 내의 도펀트 가스 압력을 증가시킴으로써 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있다는 것도 알려져 있다. 그러나 증가된 가스 압력은 플라즈마 도핑 챔버 내의 아킹(arcing)의 위험을 증가시킨다.
본 발명의 목적은 도핑 공정을 안정적으로 진행할 수 있는 플라즈마 이온 도핑 장치 및 플라즈마 이온 도핑 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 보다 명확해질 것이다.
본 발명에 의하면, 플라즈마 이온 도핑 장치는 공정챔버; 상기 공정챔버 내에 플라즈마를 생성하는 소스; 상기 공정챔버 내에 기판을 지지하는 플레이튼(platen); 상기 플라즈마 내의 이온들을 상기 기판을 향하여 가속시키기 위한 주입펄스를 인가하는 주입펄스소스를 포함하되, 상기 주입펄스의 펄스폭은 기설정된 시간 동안 점진적으로 증가한다.
상기 주입펄스의 주기는 기설정된 사간 동안 점진적으로 증가할 수 있다.
상기 주입펄스의 진폭은 기설정된 시간 동안 점진적으로 증가할 수 있다.
상기 주입펄스는 음의 진폭을 가질 수 있다.
본 발명에 의하면, 플라즈마 이온 도핑 장치는 공정챔버 내에 플라즈마를 생성하는 단계; 상기 공정챔버 내의 플레이튼 위에 기판을 지지하는 단계; 그리고 주입펄스를 인가하여 상기 플라즈마로부터 상기 기판으로 이온들을 가속시키는 단계를 포함하되, 상기 주입펄스의 펄스폭은 기설정된 시간 동안 점진적으로 증가한다.
본 발명에 의하면 공정챔버 내에서 도핑 공정을 안정적으로 진행할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도 1 내지 도 4를 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.
이하에서는 웨이퍼를 예로 들어 설명하고 있으나, 본 발명의 기술적 사상과 범위는 이에 한정되지 않는다. 한편, 명세서 내용 중 "포함하는", "구비하는", "갖는", "함유하는", "수반하는", 그리고 이와 동등한 의미를 가지는 단어는 기재된 항목과 그 등가물 뿐만 아니라 추가적인 항목도 포함하는 것으로 해석된다.
도 1은 일반적인 기판 처리 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다. 기판 처리 장치는 복수의 로드포트들(loadports)(60)과 프레임(frame)(50)을 가진다. 프레임(50)은 로드포트(60)와 로드록 챔버(20) 사이에 위치한다. 웨이퍼(W)를 수용하는 용기는 오버헤드 트랜스퍼(overhead transfer), 오버헤드 컨베이어(overhead conveyor), 또는 자동 안내 차량(automatic guided vehicle)과 같은 이송 수단(도시안됨)에 의해 로드포트(60) 상에 놓여진다. 용기는 전면 개방 일체식 포드(Front Open Unified Pod:FOUP)와 같은 밀폐용 용기가 사용될 수 있다. 프레임(50) 내에는 로드포트(60)에 놓여진 용기와 로드록 챔버(20) 간에 웨이퍼(W)를 이송하는 프레임 로봇(70)이 설치된다. 프레임(50) 내에는 용기의 도어를 자동으로 개폐하는 도어 오프너(도시안됨)가 설치될 수 있다. 또한, 프레임(50)에는 청정 공기가 프레임(50) 내 상부에서 하부로 흐르도록 청정 공기를 프레임(50) 내로 공급하는 팬필터 유닛(Fan Filter Unit:FFU)(도시안됨)이 제공될 수 있다. 프레임(50) 및 로드포트(60), 그리고 프레임 로봇(70)을 포함하여 설비 전방 단부 모듈(Equipment Front End Module:EFEM)이라고 하며, 설비 전방 단부 모듈은 로드록 챔버(20)의 전방에 장착되어, 웨이퍼들(W)이 수용된 용기(도시안됨)와 로드록 챔버(20) 간에 웨이퍼(W)를 이송한다.
또한, 기판처리장치는 로드록 챔버(loadlock chamber)(20), 트랜스퍼 챔버(transfer chamber)(30), 그리고 공정챔버(process chamber)(10)를 가진다. 트랜스퍼 챔버(30)는 상부에서 바라볼 때 대체로 다각의 형상을 가진다. 트랜스퍼 챔버(30)의 측면에는 로드록 챔버(20) 또는 공정챔버(10)가 위치된다. 로드록 챔버(20)는 트랜스퍼 챔버(30)의 측부들 중 프레임(50)과 인접한 측부에 위치되고, 공정챔버(10)는 다른 측부에 위치된다. 로드록 챔버(20)는 공정 진행을 위해 유입된 웨이퍼들(W)이 일시적으로 머무르는 로딩 챔버와 공정이 완료되어 유출되는 웨이퍼들(W)이 일시적으로 머무르는 언로딩 챔버를 가진다. 트랜스퍼 챔버(30) 및 공정챔버(10) 내부는 진공으로 유지되고, 로드록 챔버(20) 내부는 진공 및 대기압으로 전환된다. 로드록 챔버(20)는 외부 오염물질이 트랜스퍼 챔버(30) 및 공정챔 버(10)로 유입되는 것을 방지한다. 로드록 챔버(20)와 트랜스퍼 챔버(30) 사이, 그리고 로드록 챔버(20)와 설비 전방 단부 모듈(3) 사이에는 게이트 밸브(도시안됨)가 설치된다. 프레임(50)과 로드록 챔버(20) 간에 웨이퍼(W)가 이동하는 경우, 로드록 챔버(20)와 트랜스퍼 챔버(30) 사이에 제공된 게이트 밸브가 닫히고, 로드록 챔버(20)와 트랜스퍼 챔버(30) 간에 웨이퍼(W)가 이동되는 경우, 로드록 챔버(20)와 프레임(50) 사이에 제공되는 게이트 밸브가 닫힌다.
트랜스퍼 챔버(30) 내에는 이송 로봇(40)이 장착된다. 이송 로봇(40)은 공정챔버(10)로 웨이퍼(W)를 로딩하거나 공정챔버(10)로부터 웨이퍼(W)를 언로딩한다. 또한, 이송 로봇(40)은 공정챔버(10)와 로드록 챔버(20) 간에 웨이퍼(W)를 이송한다.
공정챔버(10)는 웨이퍼(W)에 대하여 소정의 공정을 수행한다. 한편, 공정챔버(10)의 일측에는 버퍼챔버(10a)가 위치하며, 버퍼챔버(10a)는 트랜스퍼 챔버(30)와 연결된다. 버퍼챔버(10a)는 공정챔버(10)의 사용이 곤란한 경우(예를 들어, 유지보수)를 대비하기 위해 제공된다.
도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 이온 도핑 장치를 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 3은 도 2의 플레이튼에 인가되는 주입펄스를 나타내는 그래프이다. 공정챔버(10)는 밀폐된 공간(11)을 정의한다. 공정챔버(10) 내에 위치한 플레이튼(12)은 반도체 웨이퍼(W)와 같은 기판이 놓여지기 위한 평면을 제공한다. 웨이퍼(W)는, 예를 들면, 플레이튼(12)의 평면부 가장자리에 클램프(clamp)되거나 혹은 정전기적으로 클램프 될 수 있다. 하나의 구성으로서, 플레이튼(12)은 웨이퍼(W)를 지지하기 위한 도전성 평면을 가진다. 다른 구성으로서, 플레이튼(12)은 웨이퍼(W)에 연결하기 위한 도전성 핀들(도시안함)을 가진다. 부가적으로, 플레이튼(12)은 웨이퍼/기판 온도를 조절하기 위한 가열/냉각 시스템을 구비한다.
플레이튼(12)은 주입펄스소스(20)에 연결되며, 플레이튼(12)은 음극으로 기능한다. 주입펄스소스(20)는 플레이튼(12)에 음의 주입 펄스를 인가한다.
공정챔버(10)의 밀폐된 공간(11)은 컨트롤 밸브(32)를 통해 진공펌프(34)에 연결되며, 공정 가스 소스(36)가 유량 컨트롤러(38)를 통해서 공정챔버(10)에 연결된다. 공정챔버(10) 내에 위치한 압력 센서(44)는 공정챔버(10) 내부의 압력을 신호로 변환하여 컨트롤러(46)에 제공한다. 컨트롤러(46)는 감지된 압력을 목표하는 압력 입력치와 비교하여 제어 신호를 밸브(32) 또는 유량 컨트롤러(38)에 제공한다. 제어 신호는 밸브(32) 또는 유량 컨트롤러(38)를 제어하여 감지된 압력과 목표압력 사이의 차이를 최소화한다. 진공 펌프(34), 밸브(32), 유량 컨트롤러(38), 압력 센서(44) 및 컨트롤러(46)는 폐쇄 회로 압력 제어 시스템을 구성한다. 압력은 일반적으로 약 1mTorr 내지 약 500mTorr의 범위에서 제어되지만, 이 범위에 제한되지 않는다. 가스 소스(36)는 대상물에 주입하기 위해 원하는 도펀트(dopant)를 포함하는 이온화 가능한 가스를 공급한다. 이온화 가능한 가스들의 예로서, BF3, N2, Ar, PH3, AsH3, AsF5, PF3, Xe 및 B2H6 등을 들 수 있다. 유량 컨트롤러(38)는 가스가 공정챔버(10)로 공급되는 속도를 조절한다. 도 2에 도시한 구성은 원하는 유속 및 일정한 압력 하에서 공정가스가 연속적으로 흐를 수 있도록 한다. 압력 및 가스 유속은 바람직하게는 반복적인 결과들을 제공하도록 조절된다. 다른 실시예에 따르면, 상기 가스의 흐름은, 밸브(32)를 고정된 위치에 유지시키는 동안, 컨트롤러(42)에 의해 제어되는 밸브를 사용하여 조절될 수 있다. 이러한 구성은 업스트림(upstream) 압력 제어로 불린다. 이밖에도, 가스 압력을 조절하기 위하여 또 다른 구성들이 사용될 수 있다.
공정챔버(10)의 상부에는 안테나(14)가 설치되며, 안테나(14)는 정합기(15)를 통해 고주파 전원(RF generator)에 연결된다. 정합기(15)는 임피던스 정합(impedence matching)을 위해 제공된다. 고주파 전원은 연속적이거나 펄스된 고주파 에너지를 안테나(14)에 제공한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 주입펄스소스(20)는 플레이튼(12)에 주입펄스를 공급한다. 주입펄스는 음의 진폭(-VI)을 가지며, 후술하는 바와 같이, 플라즈마 내의 이온들을 잡아당겨 이온들이 웨이퍼(W) 내에 주입될 수 있도록 한다. 웨이퍼(W)에 주입되는 이온들의 에너지는 주입펄스의 크기에 따라 결정된다.
플라즈마 주입에 사용되는 도펀트 가스의 성분들은 웨이퍼의 표면에 증착될 수 있도록 주입 공정 중에 원자 또는 분자 단편들로 분해(decompose)되거나 분리(dissociate)될 수 있다. 도펀트 가스 분자들의 분리에 의한 원자 또는 분자 단편들을 여기서는 "중성 입자들(neutral particles)"이라고 칭한다.
플라즈마 주입 공정 중에, 증착은 일반적으로 플라즈마의 중성 입자 및 저 에너지 이온에 의하여 웨이퍼(W) 상에 발생한다. 이러한 증착의 두께는 주입 초기에는 영(zero)에서 시작하여 작은 값, 예를 들어 100 옹스트롬(Angstrom)을 지나, 말기에는 예를 들어 2E16과 같은 고 주입량 주입(high dose implant)을 통해 점진적으로 증가한다. 웨이퍼 표면에 증착된 막(film)은 주입 이온의 침투를 어렵게 하여 이온 공정이 진행될수록 이온 주입이 점점 얕아지게 만들 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시에에 ㄸ르면, 주입 단계별로 주입펄스의 펄스폭, 주기, 진폭을 점진적으로 증가시켜 증가하는 증착을 보충(compensating)한다. 이러한 보충에는 화학 물질 및 조건이 달라짐에 따라 증착 속도가 달라진다는 점이 고려된다. 이와 같은 보충은 미리 프로그램된 소프트웨어 룩업 테이블(look up table) 또는 주입시스템 내에 설치된 인-시츄(in-situ) 모니터(monitor) 장치에 의해 수행된다. 플라즈마 주입 단계별로 표면 증착 두께를 변화시키면, 이에 따라 이온의 주입 깊이도 플라즈마 주입 단계별로 달라질 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 주입펄스의 펄스폭은 기설정된 시간 동안 점진적으로 증가하며(tb1 < tb2 < tb3 < tb4), 기설정된 시간이 경과하면 주입펄스의 진폭은 기설정된 값(tb4 = tb5 = tb6)을 유지한다. 마찬가지로, 주입펄스의 진폭은 기설정된 시간 동안 점진적으로 증가할 수 있으며(VI1 < VI2 < VI3 < VI4), 기설정된 시간이 경과하면 주입펄스의 진폭은 기설정된 값(-VI)을 유지할 수 있다. 또한, 주입펄스의 주기(또는 펄스 반복율)는 기설정된 시간 동안 점진적으로 증가할 수 있으며(tc1 < tc2 < tc3 < tc4). 기설정된 시간이 경과하면 주입펄스의 진폭은 기설정된 값(tc4 = tc5 = tc6)을 유지할 수 있다. 이밖에, 주입펄스가 0일 때의 시간은 기설정된 시간 동안 점진적으로 증가할 수 있으며(ta1 < ta2 < ta3 < ta4). 기설정된 시간이 경과하면 기설정된 값(ta4 = ta5 = ta6)을 유지할 수 있다.
도 4는 플라즈마 이온 도핑 메커니즘을 나타내는 도면이다.
동작시에, 웨이퍼(W)는 플레이튼(12) 상에 위치한다. 상기 압력 제어 시스템, 유량 컨트롤러(38) 및 가스 소스(36)는 공정챔버(10) 내에 원하는 압력 및 가스 유속을 형성한다. 예를 들어, 공정챔버(10)는 10mTorr의 압력에서 BF3 가스로 동작할 수 있다. 안테나(14)는 공정챔버(10) 내에 고주파 에너지를 인가하며, 웨이퍼(W) 상부의 플라즈마 방전영역(58) 내에 플라즈마(50)가 형성되도록 한다. 플라즈마(50)는 도펀트 가스의 양이온들을 포함하며, 가장자리에, 일반적으로는 웨이퍼(W)의 표면에 플라즈마 쉬스(52)를 가진다. 주입펄스소스(20)로부터 플레이 튼(12)에 인가된 주입펄스는 양이온들을 플레이튼(12)을 향하여 가속시킨다. 즉, 플라즈마 내의 양이온들은 플레이튼(12)에 의해 가속되어 웨이퍼(W)로 주입되고 불순물 영역을 형성한다. 이때, 주입펄스의 전압은 양이온들을 웨이퍼(W)에 원하는 깊이로 주입시키기 위해 선택될 수 있다. 주입펄스의 횟수 및 펄스 지속 시간은 웨이퍼(W) 내의 불순물 영역을 원하는 선량으로 공급하기 위해 선택된다. 상기 펄스당 전류는 펄스 전압, 펄스 폭, 펄스 진동수, 가스압력과 종류 및 상기 전극들의 가변 위치 등의 함수이다.
본 발명을 바람직한 실시예들을 통하여 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 바람직한 실시예들에 한정되지 않는다.
도 1은 일반적인 기판 처리 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 이온 도핑 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 플레이튼에 인가되는 주입펄스를 나타내는 그래프이다.
도 4는 플라즈마 이온 도핑 메커니즘을 나타내는 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 공정챔버 12 : 플레이튼
14 : 안테나 20 : 주입펄스소스

Claims (7)

  1. 공정챔버;
    상기 공정챔버 내에 플라즈마를 생성하는 소스;
    상기 공정챔버 내에 기판을 지지하는 플레이튼(platen);
    상기 플라즈마 내의 이온들을 상기 기판을 향하여 가속시키기 위한 주입펄스를 인가하는 주입펄스소스를 포함하되,
    상기 주입펄스의 펄스폭은 기설정된 시간 동안 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 도핑 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주입펄스의 주기는 기설정된 사간 동안 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 도핑 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 주입펄스의 진폭은 기설정된 시간 동안 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 도핑 장치.
  4. 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주입펄스는 음의 진폭을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 도 핑 장치.
  5. 공정챔버 내에 플라즈마를 생성하는 단계;
    상기 공정챔버 내의 플레이튼 위에 기판을 지지하는 단계; 및
    주입펄스를 인가하여 상기 플라즈마로부터 상기 기판으로 이온들을 가속시키는 단계를 포함하되,
    상기 주입펄스의 펄스폭은 기설정된 시간 동안 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 도핑 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 주입펄스의 주기는 기설정된 사간 동안 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 도핑 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 주입펄스의 진폭은 기설정된 시간 동안 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 도핑 방법.
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