KR20100121981A - 주파수 변조를 이용한 플라즈마 도핑 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 주파수 변조를 이용한 플라즈마 도핑 방법은, 이온주입 단계에서 대상물에 도펀트 가스 이온을 주입할 때, 상기 웨이퍼에 가해지는 고전압 펄스의 폭을 시간에 따라 변화되도록 제어함으로써 증착층의 두께를 효율적으로 조절할 수 있고, 이에 따라 플라즈마 이온 주입 초기에 일어 날 수 있는 채널링 현상을 방지하고, 주입 공정이 진행될수록 증가되는 표면 흡착층에 의한 이온 스톱핑 현상을 감소시킬 수 있게 되어, 항상 일정한 이온 주입 깊이와 주입량을 유지할 수 있는 효과를 갖게 된다.

펄스, 폭, 이온, 주입, 고전압, 두께

Description

주파수 변조를 이용한 플라즈마 도핑 방법{Plasma doping method using frequency modulation}

본 발명은 반도체 제조 공정에 사용되는 플라즈마를 이용한 도핑 방법에 관한 것이다.

플라즈마를 이용한 도핑 시스템은 반도체 웨이퍼 혹은 상대적으로 낮은 에너지 이온으로 높은 전류를 발생시키는 것이 요구되는 여러 응용 분야에서 얇은 접합(shallow junctions)을 형성시키는 데 사용되는 것으로 알려져 있다.

플라즈마를 이용한 반도체 도핑 시스템에서, 챔버 내에 위치하는 웨이퍼 탑재대 상에 위치된 반도체 웨이퍼는 음극(cathod)으로 기능하게 된다. 상기 챔버 내로 이온화 도핑 가스가 유입되고, 전압 펄스가 상기 웨이퍼 탑재대 및 안테나 또는 챔버 벽(chamber walls) 사이에 인가되면 도펀트(dopant) 가스의 이온들을 함유한 플라즈마를 생성시킨다.

플라즈마는 웨이퍼 부근에 형성된 플라즈마 시스(plasma sheath) 즉, 양전하를 갖는다. 인가된 펄스는 플라즈마 내의 이온이 상기 플라즈마 시스를 가로질러 가속되어 웨이퍼에 주입되게 한다. 이때 주입 깊이는 상기 웨이퍼 및 안테나 사이 에 인가된 전압과 관련된다.

이러한 도핑 시스템의 예는 Sheng 등에 허여된 미국등록특허 제5,354,381호, Liebert 등에 허여된 미국등록 특허 제6,020,592호 및 Goeckner에 허여된 미국등록특허 제6,182,604호에 기술되어 있다.

이들 특허에 기술된 플라즈마 도핑 시스템에서, 인가된 전압 펄스는 플라즈마를 생성하고, 양이온들을 플라즈마로부터 웨이퍼 방향으로 가속시킨다.

다른 타입의 플라즈마 도핑 시스템에서는, 플라즈마 도핑 챔버의 내부 또는 외부에 위치하는 안테나에서 발생되는 유도성으로 결합된(inductively-coupled) RF 파워에 의해 연속적인(continuous) 플라즈마가 발생된다. 이때 안테나는 RF 파워 제공부에 연결된다. 전압 펄스가 상기 웨이퍼 탑재대 및 안테나 사이에 간격을 갖고 인가되어, 플라즈마 내부의 이온을 상기 웨이퍼 방향으로 가속시킨다.

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. 주입 공정 중에 분리되는 도펀트 가스 성분의 예로는 AsH3, PH3, BF3 및 B2H6를 들 수 있다. 예를 들면, 아르신(arsine) 가스(AsH3)는 주입될 웨이퍼의 표면에 증착될 수 있는 As, AsH 및 AsH2로 분리될 수 있다. 이러한 증착 표면층(deposited surface layers)은 주입량(dose)의 비반복성(non-repeatability) 및 불균일성(uniformity)과 주입량측정 문제 등을 포함하는 여러 가지 문제들을 야기할 수 있다.

특히, 증착 표면층을 형성하는 중성 입자들은 주입량 측정 시스템에 의해 측정되지 않는다. 게다가, 도펀트의 깊이 프로파일(depth profile)이 증착 표면층 자체에 의해서 혹은 증착 표면층이 주입 이온에 미친 영향에 의해서 변화된다.

또한, 증착 표면층은, 어닐러(annealer)와 같은 다른 장치에서 후속 공정이 수행될 때, 그러한 장치의 오염을 유발할 수 있다. 이에 따라, 플라즈마 도핑 응용 분야에 농도 및 접합 깊이 요구 조건에 모두 부합하는 프로파일 조정 솔루션(profile adjustment solution)을 제공하는 것이 필요하다.

하지만, 종래 플라즈마를 이용한 도핑 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이 반도체 도핑 공정 중에 고전압 펄스의 폭(T1, T2, T3, T4)을 일정하게 유지하면서 진행되기 때문에 이온 주입 초기에는 증착층 두께가 낮음으로 인해 채널링 현상(channeling effect) 발생으로 도 2에 도시된 바와 같이 이온 주입 공정이 진행될수록 표면 증착층의 두께가 필요 이상으로 깊어 질 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 공정 시간에 따라 고전압 펄스의 폭을 변화시키면서 웨이퍼에 이온을 주입함으로써 공정 시간에 따른 이온 주입 시간을 변화시켜 일정한 두께의 증착층이 형성되도록 하는 주파수 변조를 이용한 플라즈마 도핑 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 주파수 변조를 이용한 플라즈마 도핑 방법은, 챔버 내의 대상물 탑재대에 표면 처리할 대상물을 위치시키는 대상물 로딩 단계와; 상기 로딩 단계 후에, 챔버 내에 도펀트 가스를 공급하고, 챔버 내에 고전압을 인가하여 플라즈마를 발생시킴으로써 도펀트 가스 이온들을 대상물 방향으로 가속시켜 대상물에 도펀트 가스 이온을 주입하여 증착하는 이온주입 단계를 포함하고, 상기 이온주입 단계에서 대상물에 도펀트 가스 이온을 주입할 때, 상기 웨이퍼에 가해지는 고전압 펄스의 폭을 시간에 따라 변화되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 이온주입 단계에서, 고전압 펄스를 인가할 때, 전압의 세기는 일정하고, 시간에 따라 펄스의 폭이 달라지도록 제어할 수 있다.

이와는 달리, 상기 이온주입 단계에서, 고전압 펄스를 인가할 때, 시간에 따라 전압의 세기 및 펄스의 폭이 모두 달라지도록 제어할 수도 있다.

위와 같은 제어 방법은, 상기 이온주입 단계에서, 고전압 펄스를 인가할 때, 상대적으로 작은 펄스의 폭이 반복되는 구간(A)과 상대적으로 큰 펄스의 폭이 반복되는 구간(B)이 존재하도록 제어하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 이온주입 단계에서, 고전압 펄스를 인가할 때, 이온 주입 시간 초기에는 상대적으로 작은 펄스의 폭을 갖는 구간(A)에서 시작하여 상기 두 구간(A)(B)이 반복되도록 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 주파수 변조를 이용한 플라즈마 도핑 방법은, 고전압 펄스의 주파수 변조를 이용하여 공정 시간에 따라 이온 주입 시간을 변화시킴으로써 증착층의 두께를 효율적으로 조절할 수 있고, 이에 따라 플라즈마 이온 주입 초기에 일어 날 수 있는 채널링 현상(Channeling effect)을 방지함과 아울러, 주입 공정이 진행될수록 증가되는 표면 흡착층에 의한 이온 스톱핑 현상(Stopping effect)을 감소시킬 수 있게 되어, 항상 일정한 이온 주입 깊이와 주입량을 유지할 수 있는 효과를 갖게 된다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

플라즈마 도핑 장치는, 플라즈마를 발생시키는 방법에 따라 구분되는 용량결 합형(Capacitively Coupled Plasma, CCP) 도핑 장치와 유도결합형(Inductively Coupled Plasma, ICP) 도핑 장치에 모두 적용될 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 ICP 방식의 플라즈마 도핑 장치를 예시한 도면으로서, 이하 ICP 방식의 도핑 장치를 중심으로 본 발명의 실시예를 설명한다.

이에 도시된 바와 같은 플라즈마 도핑장치는, 진공 상태로 공정을 수행할 수 있는 챔버(11)가 구비되고, 이 챔버(11)의 내부에는 반도체 웨이퍼(S)가 탑재되는 웨이퍼 탑재대(12)가 구비된다.

이때 웨이퍼 탑재대(12)는 웨이퍼를 안정적으로 척킹(chucking)할 수 있도록 정전척 구조로 이루어지는 것이 바람직하고, 웨이퍼에 고전압 펄스를 제공할 수 있는 기판전극(25)이 구비된다.

기판전극(25)은 고압전원(31) 및 펄스 발생기(32)에 연결되는데, 고압전원(31)은 고압 전원을 제공할 수 있도록 구성되고, 펄스 발생기(32)는 고압전원(31)으로부터 상기 기판전극(25)에 음의 극성을 가지는 고전압 펄스를 인가할 수 있도록 구성된다.

챔버(11)의 내측 상부에는 유전체판(14)이 구비되어 챔버(11) 내부 공간을 밀폐 공간으로 구성하며, 유전체판(14)의 상부에는 RF 안테나(15)가 설치된다.

상기 RF 안테나(15)는 RF 전원부(17)와 임피던스 매칭부(16)로 이루어진 RF 전원 인가부와 연결되어 RF 전력을 인가받도록 구성된다.

상기 챔버(11)의 측면에는 챔버(11)의 내부로 도펀트(dopant) 물질을 포함하는 이온화 가능한 공정 가스(이하 '도펀트 가스'라 함)를 공급하는 공정가스 공급 부(59)가 구비된다.

이와 같은, 플라즈마 도핑장치는, 챔버(11) 내에 웨이퍼가 공급되어 웨이퍼 탑재대(12)에 웨이퍼(S)가 로딩되면, 공정가스 공급부(13)를 통해 도펀트 가스가 챔버(11) 내로 공급되고, 챔버(11) 내에 플라즈마를 형성시키기 위해 RF 전원 인가부로부터 RF 전력이 유전체판(14) 상부에 구비된 RF 안테나(15)에 인가된다.

이때, RF 안테나(11)에 의해 발생된 유도 자기장에 의해 챔버(11) 내부에 공급된 도펀트 가스를 이온화시켜 유도결합 플라즈마를 발생시키게 된다. 이와 동시에 웨이퍼(S)가 장착된 웨이퍼 탑재대(12)의 기판전극(25)에도 상기 펄스발생기(32)로부터 고전압 펄스가 인가됨에 따라 웨이퍼(S)에 고전압 펄스가 가해지고, 이때 RF 안테나(15)에 의해 발생된 플라즈마에 의해 도펀트 가스 이온이 웨이퍼(S)의 표면에 가해지면서 주입되어 기판의 표면에 불순물을 도핑하게 된다.

여기서, 상기 펄스발생기(32)로부터 웨이퍼(S)에 고전압 펄스가 인가될 때, 상기 웨이퍼에 가해지는 고전압 펄스의 폭을 이온주입 시간에 따라 변화되도록 제어한다.

즉, 웨이퍼에 고전압 펄스를 인가할 때, 전압의 세기는 일정하나, 이온 주입 시간에 따라 펄스의 폭이 달라지도록 제어하는 것이다.

일례로 도 4를 참조하면, 공정 초기로부터 공정 시간이 경과함 따라 A 시간 동안은 T1의 펄스폭을 갖는 (-)의 고전압을 인가하고, A 시간 후에 계속되는 B 시간 동안은 T2의 펄스폭을 갖는 (-)의 고전압을 인가한다.

이때, A 시간 및 B 시간은 실시 조건에 따라 적정하게 설정할 수 있으며, A 시간과 B시간 외에 상기 T1 및 T2의 펄스 폭과 상이한 또 제3의 펄스 폭이 가해지는 하나 또는 그 이상의 시간을 추가하여 제어하는 것도 가능하다.

또한, A, B 시간 등 각각의 시간 동안 인가되는 펄스의 수는 하나일 수도 있으나, 바람직하게는 복수의 펄스가 일정하게 반복되면서 가해지도록 구성되는 것이 바람직하다. 도 4에서는 각 시간(A 또는 B) 동안 2회의 펄스가 가해지는 상태를 예시하였다.

특히, 이온 주입 공정이 시작되면, 초기 단계인 A 구간에서는 상대적으로 작은 펄스의 폭(T1)이 반복되고, 이후 B 구간에서는 A 구간에서의 펄스의 폭(T1)보다 상대적으로 큰 펄스의 폭(T2)이 반복되게 구성되는 것이 바람직하다.

이는, 각각의 시간 구간 동안 가해지는 펄스의 폭이 달라질 경우에, 상대적으로 펄스의 폭이 작은 영역에서는 웨이퍼에 흡착되는 이온의 농도가 작아지고 접합 깊이도 얕아지는 반면, 펄스의 폭이 큰 영역에서는 웨이퍼에 흡착되는 이온의 농도가 커지고 접합 깊이도 깊어지게 된다.

따라서, 도 5에서와 같이, 웨이퍼의 이온 증착층의 두께가 작아지고 커지는 과정을 반복하면서 증착되므로, 종래와 같이 증착층의 깊이가 지속적으로 증가하지 않고, 어느 정도 일정한 깊이의 증착 두께를 유지하면서 주입 이온의 농도가 점차 높아지는 상태로 웨이퍼 표면 증착이 이루어지게 된다.

한편, 상기에서는 각각의 펄스가 모두 동일한 전압의 세기로 인가되는 실시예를 예시하였으나, 실시 조건에 따라서는 각각의 시간 구간에서 발생하는 펄스의 전압의 세기가 변화될 수 있도록 구성하는 것도 가능하다.

즉, A 시간 동안 복수의 T1의 펄스가 가해질 경우에 시간이 경과함에 따라 전압의 세기가 점차 커지거나 작아지게 인가될 수 있고, 또한 B 시간에도 복수의 펄스가 가해질 경우에 시간이 경과함에 따라 전압의 세기가 점차 커지거나 작아지게 인가되게 구성할 수도 있다.

이상과 같이, 본 발명의 실시예에서 설명한 기술적 사상들은 각각 독립적으로 실시될 수 있으며, 서로 조합되어 실시될 수 있다. 또한, 본 발명은 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 실시예를 통하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 종래 공정 시간에 따른 고전압 펄스 제어 상태를 보여주는 그래프이다.

도 2는 종래 공정 시간에 따른 증착층의 두께 변화를 보여주는 그래프이다.

도 3은 본 발명에 따른 제어 방법이 적용되는 플라즈마 도핑 장치의 구성도이다.

도 4는 본 발명에 따른 공정 시간에 따른 고전압 펄스 제어 상태를 보여주는 그래프이다.

도 5는 본 발명에 따른 공정 시간에 따른 증착층의 두께 변화를 보여주는 그래프이다.

Claims (5)

1. 챔버 내의 대상물 탑재대에 표면 처리할 대상물을 위치시키는 대상물 로딩 단계와;

   상기 로딩 단계 후에, 챔버 내에 도펀트 가스를 공급하고, 챔버 내에 고전압을 인가하여 플라즈마를 발생시킴으로써 도펀트 가스 이온들을 대상물 방향으로 가속시켜 대상물에 도펀트 가스 이온을 주입하여 증착하는 이온주입 단계를 포함하고,

   상기 이온주입 단계에서 대상물에 도펀트 가스 이온을 주입할 때, 상기 웨이퍼에 가해지는 고전압 펄스의 폭을 시간에 따라 변화되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 주파수 변조를 이용한 플라즈마 도핑 방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 이온주입 단계에서, 고전압 펄스를 인가할 때, 전압의 세기는 일정하고, 시간에 따라 펄스의 폭이 달라지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 주파수 변조를 이용한 플라즈마 도핑 방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 이온주입 단계에서, 고전압 펄스를 인가할 때, 시간에 따라 전압의 세기 및 펄스의 폭이 달라지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 주파수 변조를 이용한 플라즈마 도핑 방법.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 이온주입 단계에서, 고전압 펄스를 인가할 때, 상대적으로 작은 펄스의 폭이 반복되는 구간(A)과 상대적으로 큰 펄스의 폭이 반복되는 구간(B)이 존재하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 주파수 변조를 이용한 플라즈마 도핑 방법.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 이온주입 단계에서, 고전압 펄스를 인가할 때, 이온 주입 시간 초기에는 상대적으로 작은 펄스의 폭을 갖는 구간(A)에서 시작하여 상기 두 구간(A)(B)이 반복되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 주파수 변조를 이용한 플라즈마 도핑 방법.

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