KR20110000644A - 웨이퍼 디척킹을 위한 챔버 시이즈닝 및 시이즈닝 레이어 플라즈마 방전에 의한 플라즈마 잠입 이온 주입(ｐｉｉｉ) - Google Patents

웨이퍼 디척킹을 위한 챔버 시이즈닝 및 시이즈닝 레이어 플라즈마 방전에 의한 플라즈마 잠입 이온 주입(ｐｉｉｉ) Download PDF

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Abstract

플라즈마 잠입 이온 주입 프로세스에 있어서, 미리-임플란트된 챔버 시이즈닝 레이어의 두께가 증가된 시이즈닝 레이어 두께에 기인하여서 웨이퍼 클램핑 정전기력의 손실 없이 (시이즈닝 레이어의 교체 없는 일련의 웨이퍼들의 주입을 허용하도록) 증가된다. 이것은 먼저 두꺼운 시이즈닝 레이어로부터 잔여 정전 전하를 플라즈마-방전하는 것에 의해서 성취된다. 각각의 웨이퍼가 처리된 후에 시이즈닝 레이어를 단편적으로(fractionally) 보충하는 것에 의해서 동일한 시이즈닝 레이어를 사용하여 처리될수 있는 웨이퍼들의 수가 추가적으로 증가하는데, 다음 웨이퍼를 처리하기 전에 보충된 시이즈닝의 잠시 동안의(brief) 플라즈마 방전이 뒤따를 수 있다.

Description

웨이퍼 디척킹을 위한 챔버 시이즈닝 및 시이즈닝 레이어 플라즈마 방전에 의한 플라즈마 잠입 이온 주입(ＰＩＩＩ){PLASMA IMMERSION ION IMPLANTATION PROCESS WITH CHAMBER SEASONING AND SEASONING LAYER PLASMA DISCHARGING FOR WAFER DECHUCKING}
[001] 플라즈마 이온주입은 반도체 웨이퍼 또는 워크피스에 주입될 종의 이온들(ions of species)을 포함하는 플라즈마를 생성하는 것에 의해서 행해진다. 플라즈마는 반응기 챔버 천장에서의 토로이달(toroidal) 플라즈마 소오스와 같은 플라즈마 소오스를 사용하여 생성될 수 있다. 웨이퍼 표면 아래에 원하는 이온 주입 깊이 프로파일을 얻기에 충분한 이온 에너지는 매우 높은 RF 바이어스 전압(예를 들어, 10kV 내지 20kV)을 웨이퍼 지지대 내 절연된 캐소드 전극을 통해 반도체 웨이퍼에 커플링하는 것에 의해서 제공된다. 이러한 높은 바이어스 전압은 플라즈마 잠입 이온 주입 동안 웨이퍼를 홀딩하기 위해서 정전 척(electrostatic chuck) 상 상응하게 높은 D. C. 정전기 웨이퍼 클램핑 전압을 필요로 한다. 높은 임플란트 선량 비율(implant dose rate)은 높은 플라즈마 이온 밀도를 요하는데, 이것은 낮은 챔버 압력에서 동작하는 토로이달(toroidal) 플라즈마 소오스를 사용해서 성취된다. 필요한(requisite) 이온 임플란트 깊이 프로파일은 매우 높은 이온 에너지를 요하고 이것은 웨이퍼 표면에서 플라즈마 쉬스에 걸쳐 매우 높은 RF 바이어스 전압을 인가하는 것에 의해서 성취된다. 플라즈마 잠입 이온 주입에 채용된 프로세스 가스는 주입될 도펀트 종들의 불화물 또는 수소화물일 수 있다.
[002] DRAM/플래쉬 메모리 제조에 있어서, 그 전도성을 증가시키기 위해서 다결정 실리콘(폴리실리콘) 게이트 전극들 내로 반도체 도펀트 종들을 주입하는 것이 필요하다. 얇은 게이트 산화물 레이어 상에 비정질 실리콘을 증착하고 이어서 비정질 상태로부터 다결정 상태로 증착된 실리콘을 변형하기에 충분하도록 웨이퍼를 어닐링하는 것에 의해서 게이트 전극들이 형성된다. 다결정 실리콘 게이트 레이어는 따라서 약 20nm 내지 80nm 두께로 형성된다. 주입된 종들은 붕소와 같이 실리콘 내 p-타입 반도체성을 촉진하는 하나이거나 도는 비소, 인 및 안티몬과 같이 n-타입 반도체성을 촉진하는 하나이다. 플라즈마 잠입 이온 주입 프로세스는 100 - 1000 Ohm/sq 범위의 전기 저항성에 상응하는, 폴리실리콘 게이트 레이어 내 요구되는 이온 주입량을 얻기에 충분한 시간 동안 수행되어야 한다.
[003] 폴리실리콘 게이트 전극은 금속(예를 들어 알루미늄) 오염물이 없도록 유지되어야 한다. 이러한 오염물은 플라즈마 잠입 이온 주입 프로세스 동안 챔버 안쪽 표면들의 스퍼터링에 의해서 야기되는데, 이것은 게이트 전극을 마주하는 플라즈마 환경(plasma environment) 내로 금속 원자들을 도입한다.
[004] 플라즈마 반응기에서 일련의 반도체 웨이퍼들을 플라즈마 잠입 이온 주입하기 위한 프로세스가 제공된다. 상기 프로세스는 챔버 내에 증착 플라즈마를 유지하는 것에 의해서, 일련의(a succession of) 복수의 웨이퍼들의 플라즈마 잠입에 걸쳐서 최소 임계 두께 아래까지 감소되는 것을 피하기에 충분한 초기 두께의 실리콘-함유 시이즈닝 레이어로 웨이퍼 지지 표면을 포함하는 반응기의 안쪽 표면들을 코팅하는 것을 포함한다. 이어서, 비활성 종들의 플라즈마가 시이즈닝 레이어로부터 및 웨이퍼의 근방에서 다른 모든 유전체 표면들(예를 들어 세라믹으로 이루어진 프로세스 링)로부터 잔여 정전 전하를 유지하기에 충분한 시간 동안 챔버 내에 유지된다. 그 후에, 일련의 복수의 웨이퍼들 중 각각의 하나에 대하여, 현재의 웨이퍼가 챔버 내로 도입되고, 그리고 웨이퍼 내 희망 이온 주입량을 실현하기에 충분한 시간 동안 챔버 내에 이온 주입 플라즈마가 유지된다. 이것에는 반응기로부터 현재의 웨이퍼를 제거하는 것과 챔버 내로 일련의 다음 웨이퍼를 도입하는 것이 뒤따른다. 일련의 웨이퍼들이 처리된 후에, 시이즈닝 레이어가 교체된다.
[005] 다른 실시예에 있어서, 시이즈닝 레이어 교체 전에 더 많은 수의 웨이퍼들이 처리될 수 있다. 이러한 다른 실시예에 있어서, 일련의 웨이퍼들에서 각각의 웨이퍼를 처리한 후에 다음의 단계가 수행된다: 상기 시이즈닝 레이어 상에 상응하는 양의 실리콘-함유 시이즈닝 재료를 증착하는 것에 의해서, 챔버 내 현재의 웨이퍼를 처리하는 동안 발생한 시이즈닝 레이어로부터의 파편적인 재료 손실을 보상한다. 이러한 단계에는 일련의 웨이퍼들 내 각각의 웨이퍼를 처리하기에 앞서서, 시이즈닝 레이어로부터 잔여 정전 전하를 제거하기에 충분한 시간 동안 챔버 내에 비활성 종들의 플라즈마가 유지되는 RF 방전 단계가 바로 뒤따를 수 있다.
[006] 위에서 인용된 본 발명의 예시적인 실시예들이 얻어지고 상세히 이해될 수 있도록 하기 위해서, 위에서 간략히 요약된 본 발명에 대한 보다 상세한 설명이 첨부된 도면들에 도시된 그 실시예들에 관하여 기술된다. 발명을 모호하게 만드는 것을 피하기 위해서 본 명세서에서 특정한 잘 알려진 프로세스들은 기술되지 아니하였음을 이해할 수 있을 것이다.
[007] 도 1은 일 실시예의 프로세스에 채용된 플라즈마 반응기의 단순화한 다이어그램이다.
[008] 도 2a 및 도 2b는 일 실시예에 따른 프로세스를 나타내는 순서도를 구성한다.
[009] 도 3a, 도 3b, 도 3c, 및 도 3d는 다른 실시예에 따른 프로세스를 나타내는 순서도를 구성한다.
[0010] 이해를 촉진하기 위하여, 동일한 참조 번호들이 도면들에서 공통적인 동일한 요소들을 가리키기 위해 가능한 사용되었다. 하나의 실시예의 요소들과 기술적 특징들은 추가적인 인용이 없더라도 다른 실시예들에 유리하게 통합될 수 있음이 고려되어야 한다. 그러나, 첨부된 도면들은 단지 본 발명의 예시적인 실시예들을 나타낸 것이며 따라서 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 고려되어서는 아니되며, 본 발명은 균등한 효과를 가지는 다른 실시예들을 허용할 수 있음을 유의해야 한다.
[0011] 예를 들어 이산화규소와 같은 프로세스-양립가능 물질로 이루어진 시이즈닝 막에 의해서 또는 이와 달리 사용될 수 있는 (실리콘 또는 탄소 계열의) 다른 막들에 의해서 이온 주입 프로세스의 금속성 오염물(metallic contamination)이 챔버 안쪽 표면들을 코팅하는 것에 의해서 막아진다. 시이즈닝 막 또는 레이어는 4000 내지 9000Å일 수 있다. 그 후에, 웨이퍼가 챔버 내로 도입되고 플라즈마 잠입 이온 주입 프로세스가 수행된다. 주입 프로세스 동안, 플라즈마는 시이즈닝 막의 일부를 식각하면서 그 두께를 감소시킨다. 초기 시이즈닝 막 두께가 충분하지 아니하다면, 시이즈닝 막의 일부가 제거되어서 기저(underlying) 금속 재료를 노출시킬 수 있다. 이를 막기 위해서, 시이즈닝 막이 하나 이상의 웨이퍼의 플라즈마 잠입 이온 주입을 유지시키기에 충분한 두께까지 증착된다. 웨이퍼를 제거한 후에, 시이즈닝 막이 식각되거나 별개의 플라즈마 식각 프로세스에서 제거되고, 그리고 다음 웨이퍼의 이온 주입에 앞서서 새로운 시이즈닝 막이 증착된다.
[0012] 일 실시예에 있어서, 몇몇(several)(예를 들어 5개의) 웨이퍼들을 이온 주입하는 동안 생존하기에 충분한 두께까지 시이즈닝 막을 증착하는 것에 의해서 그리고 몇몇 웨이퍼들이 반응기 내에서 연속적으로 이온 주입될 때까지 시이즈닝 레이어를 교체하지 아니하는 것에 의해서 생산성이 상당히 증가할 수 있다. 문제는 증가된 두께의 시이즈닝 레이어가 그것으로 하여금 시이즈닝 레이어 증착 프로세스 동안 상응하게 더 많은 양의 잔여 정전 전하를 축적하도록 하는 것이다. 시이즈닝 레이어 내 증가된 잔여 전하는 특정한 문제들을 일으킨다. 구체적으로, 잔여 전하는 웨이퍼를 홀딩하는 정전 척에 의해 인가된 클램핑 정전기력에 대항(oppose)할 수 있다. 따라서, 후속하는 플라즈마 잠입 이온 주입 단계 동안 웨이퍼가 정전 척에서 갑자기 떨어질(pop off)할 수 있다. 이러한 문제는 시이즈닝 레이어 두께 증가와 함께 악화된다. 따라서, 다수의 웨이퍼들의 주입에 걸쳐서 하나의 시이즈닝 레이어의 사용을 수용(accommodate)하기 위해서 시이즈닝 레이어가 증가될 수 있는 범위(the extent)는 적은 수의 웨이퍼들 또는 몇몇 경우들에서는 단지 하나의 웨이퍼로 크게 제한된다.
[0013] 따라서, 시이즈닝 레이어 내 잔여 전하에 기인한 웨이퍼의 정전 클램핑의 손실 없이 하나의 시이즈닝 레이억 사용될 수 있는 웨이퍼들의 수를 증가시켜서 생산성을 향상시킬 필요가 존재한다.
[0014] 하나의 시이즈닝 레이어로 플라즈마 잠입 이온 주입에 의해서 처리되는 웨이퍼들의 수를 증가시키는 것에 의해서 생산성이 향상된다. 시이즈닝 레이어는 많은 수의 웨이퍼들의 플라즈마 잠입 이온 주입을 생존시키기에 충분히 두꺼운 초기 두께까지 증착된다. 초기 두께는 시이즈닝 레이어 내 잔여 전하의 효과를 피하도록 제한될 필요가 없다. 대신에, 시이즈닝 레이어 증착 직후에, 웨이퍼의 부존재시 시이즈닝 레이어에 걸쳐 고밀도 비활성 가스 플라즈마를 생성하는 것에 의해서 모든 또는 거의 모든 잔여 전하가 시이즈닝 레이어로부터 제거된다. 일 실시예에 있어서, 잔여 전하를 제거하는 데에 사용되는 가스는 아르곤과 같이 낮은 이온화 에너지와 높은 플라즈마 전도성을 가지는 종이다. 시이즈닝 레이어를 완전히 방전시키기 위해서 몇 초(few seconds) 동안 이러한 플라즈마를 유지하는 것이 필요할 뿐이다. 그 후에, 플라즈마가 소멸되고 제1 일련의 웨이퍼들이 플라즈마 잠입 이온 주입을 위해 챔버 내로 도입된다.
[0015] 이제 시이즈닝 레이어 증착 프로세스와 플라즈마 잠입 이온 주입 프로세스가 수행되는 토로이달 소오스 플라즈마 잠입 이온 주입 반응기가 기술된다. 도 1을 참조하면, 플라즈마 잠입 이온 주입 반응기는 원통형 측벽(105), 마루(110) 및 천장(115)에 의해서 둘러싸인 챔버(100)를 구비한다. 챔버(100) 내 웨이퍼 지지대(120)는 반도체 웨이퍼(125)를 척(120)의 웨이퍼 지지 표면(130) 상으로 정전기력에 의해 클램핑(electrostatically clamping)할 수 있는 정전 척일 수 있다. 척(120)은 접지된 전도성 베이스 레이어(140), 상기 베이스 레이어(140) 위에 놓인 절연 레이어(145), 상기 절연 레이어(145) 위에 놓인 얇은 캐소드 전극(150), 그리고 상기 캐소드 전극(150) 위에 놓이고 웨이퍼 지지 표면(130)을 형성하는 탑 절연 레이어(155)로 구성될 수 있다. 절연 레이어들(145, 155)을 이루는 물질은 세라믹 재료일 수 있다. 캐소드 전극(150)은 몰리브덴으로 이루어진 얇은 금속 그물망(metallic mesh)일 수 있다.
[0016] 도 1의 반응기는 한 쌍의 횡단 외부 재진입 전선관들(transverse external reentrant conduits)(160, 165) - 각각이 챔버(100)의 직경을 가로질러 연장하고 그들의 단부에서 천장(115) 내 포트들(112)을 통해서 챔버(100)의 내부(100)에 커플링됨 - 을 포함하는 토로이달 플라즈마 소오스를 구비한다. RF 전력 어플리케이터(170, 175)는 각각 재진입 전선관들(160, 165)의 내부 내로 RF 전력을 커플링한다. RF 전력 어플리케이터(170)는 전선관(160) 둘레에 감긴 자기 투자성(magnetically permeable) 링(180)과, 링(180)의 일부 둘레에 감긴 전도성 코일(182)과, 그리고 RF 임피던스 정합 요소(186)를 통해 코일(182)에 커플링되는 RF 전력 생성기(184)로 구성된다. RF 전력 어플리케이터(175)는 전선관(165) 둘레에 감긴 자기 투자성 링(180')과, 상기 링(180')의 일부에 감긴 전도성 코일(182')과, 그리고 RF 임피던스 정합 요소(186')를 통해 코일(182')에 커플링되는 RF 전력 생성기(184')로 구성된다.
[0017] 천장(115)은 가스 분배 판(188)을 포함한다. 프로세스 가스 공급기들(190a, 190b, 190c, 19Od)은 사용자-제어가능한 가스 패널(195)을 통해 가스 분배 판(188)에 프로세스 가스를 공급한다. 챔버(100)는 진공 펌프(198)에 의해서 비워진다. 일 예시에 있어서, 가스 공급기(190a)는 도펀트 수소화물 또는 도펀트 불화물 가스를 보유한다. 가스는 붕소, 인, 비소 또는 안티몬 등의 수소화물 또는 불화물일 수 있다. 가스 공급기(190b)는 Ar 가스를 저장한다. 가스 공급기들(190c 및 19Od)는 챔버 내로 웨이퍼를 도입하기 전에, 시이즈닝 레이어의 플라즈마화학기상증착(PE-CVD; plasma enhanced 화학 기상 증착)을 위한 시이즈닝 물질의 가스 전구체들(gas precursors)을 저장한다. 일 실시예에 있어서, 증착될 시이즈닝 레이어는 이산화규소(또는 실리콘 산화물 종들)이고, 가스 공급기(190c)는 실란(SiH4)을 저장하고 가스 공급기(19Od)는 산소를 저장한다.
[0018] 정전 척(120)은 그물 전극(150)에 연결된 사용자-제어가능한 D.C. 척킹 전압 공급기(D.C. chucking voltage supply)(200)를 추가적으로 포함한다. 극도로 높은 RF 바이어스 전압을 생성할 수 있는 RF 바이어스 전력 생성기(210)는 RF 임피던스 정합 회로(215) 및 (상기 임피던스 정합 회로(215)에 포함될 수 있는) 선택적인 절연 캐패시터(220)를 통해 그물 전극(150)에 커플링된다. 웨이퍼(125)에 유용한 이온 주입 깊이 프로파일을 제공하기 위해서, RF 바이어스 전압 생성기(210)는 충분히 높은 전력 레벨에서 작동되어서, 웨이퍼 표면에서 플라즈마 쉬스(plasma sheath)에 걸쳐 10 kV 단위의(on the order of) RF 바이어스 전압을 생성한다. 이러한 전압은 이온 주입 깊이 프로파일을 제어한다.
[0019] 일 작동 예시에 있어서, 비교적 두꺼운 유전체 시이즈닝 레이어가 약 4000 내지 9000Å까지 챔버의 안쪽 표면들 위에 증착된다. 안쪽 챔버 표면들로부터 시이즈닝 막의 손실 위험 없이 많은 수의 웨이퍼들의 연속적인 이온 주입 프로세스에 걸쳐서 이러한 두꺼운 시이즈닝 레이어가 사용될 수 있다. 가스 공급기(190c)로부터 실린 가스가 가스 공급기(19Od)로부터 산소 가스가 챔버 내로 유입되는 것에 의해서 시이즈닝 레이어가 증착되는 한편 RF 플라즈마 소오스 전력 생성기들(184 및 184') 중 하나 또는 양자로부터 플라즈마 소오스 전력을 인가한다. 결과적인 플라즈마가 안쪽 챔버 표면들 위 실리콘 산화물 시이즈닝 레이어의 화학 기상 증착을 뒷받침한다(support). 이러한 플라즈마는 희망 두께(예를 들어 4000-9000Å)까지 시이즈닝 레이어가 증착될 때까지 지속된다. 그 후에, 전술한 프로세스 가스들이 제거된다.
[0020] 화학 기상 증착 프로세스 동안, (세라믹으로 이루어진 유전체 프로세스 링과 같이 플라즈마 내에 잡입될 수 있는 다른 유전체 표면들과 마찬가지로) 증착된 시이즈닝 레이어는 잔여 전하를 축적한다. 시이즈닝 레이어 내 잔여 전하는 특별한 시이즈닝 레이어 방전 프로세스에서 제거된다. 시이즈닝 레이어 방전 프로세스는 시이즈닝 레이어 잔여 전하를 방전하는 데에 적절한 플라즈마를 생성하는 것에 의해서 수행된다. 이를 위해서, 플라즈마는 낮은 이온화 에너지를 가지는 비교적 비-반응성인 가스로 이루어지는데 이것은 비교적 높은 전도성을 가지는 플라즈마를 생성하는 경향이 있다. 이러한 가스가 아르곤이다. 전술한 바에 있어서, 아르곤이 챔버 내로 도입되고 아르곤 플라즈마가 RF 플라즈마 소오스 전력 생성기들(184, 184')로부터의 소오스 전력에 의해서 생성된다. 일 실시예에 있어서, 아르곤 가스 유량은 50- 500 sccm (cm3 / min, standard cubic centimeters per minute) 범위의 값을 가졌고 소오스 전력 생성기들(184, 184')에 의해서 제공된 RF 전력은 1010 및 1011 ions/cm3 사이의 아르곤 플라즈마를 생성하기에 충분했다(예를 들어, 200-500 W). 약 7000Å 두께를 가지는 실리콘 산화물 시이즈닝 레이어에 있어서 이러한 단계에 의해서 약 2초 내에 (물론 예를 들어 15 초와 같은 더 긴 방전 시간이 사용될 수도 있음) 잔여 전하가 완전히 방전된다는 것을 발견하였다.
[0021] 시이즈닝 레이어(그리고 웨이퍼 근방에서 임의의 다른 유전체 표면들)로부터 잔여 전하가 제거된 후에, 챔버에서 플라즈마 잠입 이온 주입에 의해서 많은 수의 웨이퍼들이 이온 주입될 수 있다. 플라즈마 잠입 이온 주입 프로세스는 동일한 시이즈닝 레이어를 사용하여 일련의 웨이퍼들을 이온 주입하기 위해서 반복적으로 수행된다. 작동 일 예시에 있어서, 각각의 웨이퍼에 대한 이온 주입 프로세스는 다음과 같다: 5000-10,000 볼트 범위의 D. C. 척킹 전압에 의해서 척(120) 상에 웨이퍼가 정전기력에 의해 클램핑된다. 가스 패널(195)이 가스 공급기(190a)로부터 도펀트의 불화물 또는 수소화물(예를 들어 BF3 또는 B2H6)가 같은 도펀트-함유 가스를 50-200 sccm의 가스 유량으로 그리고 가스 공급기(190b)로부터 아르곤 가스를 20-300 sccm의 가스 유량으로 천장 가스 분배 판(188)으로 제공한다. 토로이달 플라즈마 소오스 전력 생성기들(184, 184')은 각각 약 13.56 MHz에서 200-5000 와트의 RF 전력을 생성하는데, 각각은 수 분의 1 MHz만큼 서로로부터 주파수가 약간 오프셋된다. 다른 실시예들에 있어서, 주파수는 약 1-60 MHz 범위 내 임의의 값을 가질 수 있다. 바이어스 전압 생성기(210)는 약 200-15,000 볼트의 웨이퍼(125) 위 플라즈마 쉬스에 걸친 RF 바이어스 전압을 생성하기에 충분한 RF 전력을 약 2 MHz의 주파수로 제공한다. 다른 실시예들에 있어서, 바이어스 전력 RF 주파수는 0.5-60 MHz 범위 내 임의의 값을 가질 수 있다. 진공 펌프(198)는 3-100 mT 범위로 챔버 압력을 유지하기에 충분한 진공 비율(evacuation rate)에서 동작된다. 이온 주입 단계가 웨이퍼 표면 내 희망 주입량에 도달하기에 충분한 시간 동안 수행된 후에, 플라즈마가 수멸되고 웨이퍼가 척(120)으로부터 제거되고 그리고 다음 웨이퍼에 대하여 이온 주입이 반복된다. 각각의 웨이퍼의 플라즈마 잠입 이온 주입 동안, 식각 (예를 들어 불소-함유) 플라즈마 이온들 및 라디칼들이 도펀트-함유 프로세스 가스(예를 들어 BF3)로부터 생성되는데, 이것은 시이즈닝 레이어의 수분의 1이 제거되도록 식각하고 그 두께를 감소시킨다.
[0022] 많은 수의(예를 들어 10개의) 반도체 웨이퍼들의 연속적인 플라즈마 잠입 이온 주입 동안 온전히 유지되기에(survive intact)(예를 들어 최소 두께를 유지하기에) 시이즈닝 레이어의 초기 두께는 충분히 크다(예를 들어 4000Å 내지 9000Å). 이러한 두꺼운 두께는 웨이퍼 상 정전 척 힘의 유해한 손실 없이 용인될 수 있는데, 전술한 바와 같이 시이즈닝 레이어에서 그 잔여 정전 전하가(다시 말해서, 시이즈닝 레이어 증착 동안 축적된 정전 전하가) 방전되기 때문이다. 일 예시에 있어서, 초기 시이즈닝 레이어 두께는 9000Å이었고 그리고 약 10개의 웨이퍼들을 챔버에서 연속적으로 이온 주입한 후에 남아있는 시이즈닝 레이어 두께는 3000Å이었다. 더이상의 웨이퍼들은 이온 주입되지 아니하는데, 시이즈닝 레이어 두께가 금속성 오염물의 위험을 증가시키면서 (임의의 후속 이온 주입 단계들 동안) 추가적으로 감소될 수 있기 때문이다.
[0023] 원하는 수의(예를 들어 10개의) 반도체 웨이퍼들의 이온 주입 후에, 챔버로부터 마지막 웨이퍼가 제거되고, 그리고 시이즈닝 레이어가 제거된다. 탄화불소 또는 플루오르화 탄화수소를 포함하는 유형의 불소-함유 화합물과 같이, 실리콘 산화물 식각액의 전구체인 전구체 가스를 챔버 내로 도입하는 것에 의해서 시이즈닝 레이어가 제거된다. 모든 시이즈닝 레이어가 제거될 때까지 플라즈마를 생성하고 유지하기 위해서 소오스 전력 생성기들(184, 184')로부터의 플라즈마 소오스 전력이 인가된다. 그 후에, 새로운 시이즈닝 레이어가 전술한 바와 같이 증착되고, 이어서 다른 일련의 반도체 웨이퍼들의 이온 주입을 대비하여 그 잔여 전하의 플라즈마 방전에 종속된다.
[0024] 도 2a 및 도 2b는 일 실시예에서의 프로세스를 나타낸다. 웨이퍼를 챔버 내로 도입하기에 앞서, 챔버 안쪽 표면들이 먼저 실리콘 산화물의 시이즈닝 레이어로 코팅된다(블록 226). 이것은 실란과 같은 실리콘-함유 가스를 도입하고(블록 226-1), 산소 가스 또는 질소의 가스상 산화물과 같은 산소-함유 가스를 도입하고(블록 226-2), 그리고 실리콘 산화물 시이즈닝 레이어의 플라즈마 강화(plasma enhanced) 화학 기상 증착을 위해 플라즈마를 생성하고 유지하기 위해서 생성기들(184, 184')로부터 RF 플라즈마 소오스 전력을 인가하는 것(블록 226-3)에 의해서 성취된다. 최소 "안전" 두께(예를 들어, 3000Å) 아래로 감소되지 아니하면서, 희망하는 수의 일련의 웨이퍼들의 연속적인 플라즈마 잠입 이온 주입 프로세스들을 견딜 수 있는 충분한 두께에 실리콘 산화물의 증착된 레이어가 이를 때까지 이러한 단계가 반복된다(블록 228). 초기 두께는 4000 내지 9000Å 범위 내의 값일 수 있다. 희망 시이즈닝 레이어 두께에 도달된 후에, 시이즈닝 레이어 전구체 가스들(예를 들어, 실란 및 산소)이 제거된다(블록 230). 실란이 사용되면, 시이즈닝 레이어는 순수한 이산화규소와 유사하지만 소량의 수소를 포함하는 실란-산화물 화합물로 구성될 수 있다.
[0025] 다음 단계는 유전체 시이즈닝 레이어 내 축적된 잔여 전하의 플라즈마 방전을 수행하는 것이다(블록 232). 이를 위해서, 챔버 내에 순수한(또는 거의 순수한) 아르곤의 고밀도 플라즈마가 생성되고(블록 234) 그리고 시이즈닝 레이어 증착 단계 동안 축적된 시이즈닝 레이어 상 잔여 전하 모두를(또는 거의 모두를) 방전시키는 데에 충분한 시간 동안(예를 들어 2초 동안) 이전에 기술된 방식으로 유지된다 (블록 236).
[0026] 시이즈닝 레이어의 플라즈마 방전 후에, 챔버는 시이즈닝 레이어의 교체 없이, 희망하는 수의(예를 들어 10회의) 연속적인 플라즈마 잠입 이온 주입 프로세스들을 수행할 준비가 되어 있다. 제1 챔버(125)가 챔버(100) 내로 도입되고 웨이퍼 지지 표면(130) 상에 두어지고, 큰 RF 바이어스 전압이 가해질 것이라면 수천 볼트 단위의 전압을 사용해서 척킹 전압 공급기(200)에 의해서 클램핑 정전기력이 척(120)에 가해진다(블록 250). 20-300 sccm의 유량으로 가스 분배 판에 아르곤 가스가 제공된다(블록 252). 플라즈마 소오스 전력이 소오스 전력 생성기들(184, 184')에 의해서 각각 13.56 ± 5 MHz의 주파수로 약 200-5000 와트의 전력 레벨로 RF 전력 어플리케이터들(170, 175)에 제공된다(블록 254). 10% B2H6 및 90% He의 혼합물이 가스 분배 판(188)에 공급된다(블록 256). 챔버(100)는 3-100 mT의 압력까지 비워진다(블록 258). 이들 조건들은 붕소 이온들의 요구되는 주입량에 이르기에 충분한 시간 동안 유지된다. 이러한 주입량은 100 - 1000 Ohm/sq 범위 내로 주입된 폴리실리콘 게이트 물질의 전기 저항성에 상응한다. 이러한 시점에서, 이온 주입 프로세스가 완료되고 중지되고 그리고 웨이퍼(125)가 척(120)으로부터 디-척킹되고 제거된다(블록 260). 이어서 다음 웨이퍼가 정전 척(120) 상에 클램핑되고(블록 262) 그리고 앞서의 플라즈마 잠입 이온 주입 프로세스가 새로운 웨이퍼에 대해서 반복된다(블록 264). 전술한 사이클이 희망하는 수의 웨이퍼들(예를 들어 7개의 웨이퍼들)에 걸쳐서 반복된다(블록 266).
[0027] 이어서, 다음 웨이퍼 그룹에 대하여 사용될 새로운 시이즈닝 레이어의 증착에 대비하여 시이즈닝 레이어가 제거된다(블록 264). 시이즈닝 레이어는 불소-함유 가스들을 도입하고 이어서 플라즈마를 충돌시키는 것에 의해서 제거될 수 있다. 구체적으로, 한 쌍의 RF 생성기들(184, 184')로부터 RF 전력이 인가된다. 이러한 플라즈마는 모든 시이즈닝 레이어가 제거될 때까지 유지된다. 이어서 전술한 프로세스는 블록 226의 단계까지 귀환하는 것에 의해서(블록 270) 반복된다.
[0028] 도 3a, 도 3b, 도 3c, 및 도 3d의 순서도에 도시된 다른 실시예에 있어서, 동일한 시이즈닝 레이어에 의해서 처리될 수 있는 웨이퍼들의 수가 시이즈닝 레이어의 초기 두께를 추가적으로 증가시켜야 하는 것 없이 (예를 들어 15 또는 20과 같은 10보다 큰 수까지) 증가한다. 이것은 현재의 웨이퍼 제거 후에 또는 연속적인 이온 주입 프로세스들 사이에 소량의 추가적인 실리콘 산화물 물질로 각각의 웨이퍼의 이온 주입 후에 시이즈닝 레이어를 보충하는 것 또는 다시 채우는 것(replenishing)에 의해서 성취된다. 추가된 물질은 이전의 이온 주입 프로세스 동안 식각되어 없어진 시이즈닝 레이어의 양을 대체하기에 (또는 거의 대체하기에) 충분하다. 그 결과, 시이즈닝 레이어의 초기 두께는 (시이즈닝 레이어의 중간 다시 채움이 없는) 일련의 웨이퍼들의 연속적인 이온 주입 동안 시이즈닝 레이어를 최소 임계치 이상으로 유지하기 위해 필요한 것보다 더 작을 수 있다. 하나의 이점은 주어진 시이즈닝 레이어 두께에 대하여, 시이즈닝 레이어가 대체되기 전에 많은 수의 웨이퍼들이 처리될 수 있다는 것이다. 도 3a-3d는 이러한 후자의 실시예에 따른 프로세스를 나타내는 다이어그램을 구성한다. 도 3a-3d의 프로세스는 이온 주입의 완료 및 현재의 웨이퍼의 제거 후에 그리고 다음의 웨이퍼의 도입에 앞서서 다음의 단계들이 도 3a-3d의 프로세스 내에서 수행된다는 점에서 도 2a-2b의 프로세스와 다르다: 이온 주입 동안 부분적으로 제거되거나 얇아지는 시이즈닝 레이어는 거의 그 원래 두께까지 시이즈닝 물질을 회복시키기에 충분한 얇은 레이어의 실리콘 산화물 또는 추가적인 시이즈닝 물질 증착에 의해서 보충된다. 시이즈닝 또는 실리콘 산화물의 부가된 양은 원래 두께의 수분의 1, 예를 들어 1 Å 이하일 수 있다. 도 3a-3d의 프로세스에서 보충적인 또는 단편적인 증착은 다음과 같이 수행된다: 실리콘-함유 가스를 도입하고, 산소-함유 가스를 도입하고, 그리고 생성기들(184, 184')로부터 RF 플라즈마 소오스 전력을 인가한다. 시이즈닝 레이어 두께가 적어도 거의 그 원래 두께까지 회복되면, 이러한 보충적인 증착 프로세스를 중지한다. 이어서, 이러한 후자의 보충적인 시이즈닝 레이어 증착 동안 시이즈닝 레이어 내에 축적된 잔여 전하가 방전된다. 이를 위해서, 순수한 (또는 거의 순수한) 아르곤의 고밀도 플라즈마가 챔버 내에 생성되고 시이즈닝 레이어 보충 증착 동안 축적된 시이즈닝 레이어 상 잔여 전하 모두를 (또는 거의 모두를) 방전시키기에 충분한 시간 동안 (예를 들어 2초 동안) 유지된다. 그 후에, 아르곤 플라즈마가 소멸된다. 시이즈닝 레이어의 플라즈마 방전은 초기(미리-주입된) 플라즈마 방전 단계와 유사한 방식으로 수행된다. 일 예시에 있어서, 아르곤 가스는 20-500 sccm의 유량으로 챔버 내로 제공되고 한편 RF 소오스 전력은 약 2초 동안 또는 가능하게는 더 적은 시간 동안 고밀도 플라즈마를 생성하기 위해 13.56 MHz로 약 200-500 와트의 범위에서 인가된다. 이것은 시이즈닝 레이어로부터 잔여 전하를 제거하기에 충분하다.
[0029] 도 3a-3d의 프로세스에 관한 완전한 설명이 이하에서 주어진다: 챔버 내로 웨이퍼를 도입하기에 앞서서, 챔버 안쪽 표면들이 먼저 실리콘 산화물의 시이즈닝 레이어로 코팅된다(블록 326). 이것은 실란과 같은 실리콘-함유 가스을 도입하는 것에 의해서(블록 326-1), 그리고 산소 또는 질소의 가스상 산화물과 같은 산소-함유 가스를 도입하는 것에 의해서(블록 326-2) 그리고 실리콘 산화물 시이즈닝 레이어의 플라즈마 강화 화학 기상 증착을 위해서 플라즈마를 생성하고 유지하기 위해서 생성기들(184, 184')로부터 RF 플라즈마 소오스 전력을 인가하는 것에 의해서(블록 326-3) 성취된다. 최소 "안전" 두께(예를 들어, 3000Å) 아래로 감소되지 아니하면서, 희망하는 수의 일련의 웨이퍼들의 연속적인 플라즈마 잠입 이온 주입 프로세스들을 견딜 수 있는 충분한 두께에 실리콘 산화물의 증착된 레이어가 이를 때까지 이러한 단계가 반복된다(블록 328). 초기 두께는 4000 내지 9000Å 범위 내의 값일 수 있다. 희망 시이즈닝 레이어 두께에 도달된 후에, 시이즈닝 레이어 전구체 가스들(예를 들어, 실란 및 산소)이 제거된다(블록 330). 실란이 사용되면, 시이즈닝 레이어는 순수한 이산화규소와 유사하지만 소량의 수소를 포함하는 실란-산화물 화합물로 구성될 수 있다.
[0030] 다음 단계는 유전체 시이즈닝 레이어 내 축적된 잔여 전하의 플라즈마 방전을 수행하는 것이다(블록 332). 이를 위해서, 챔버 내에 순수한(또는 거의 순수한) 아르곤의 고밀도 플라즈마가 생성되고(블록 334) 그리고 시이즈닝 레이어 증착 단계 동안 축적된 시이즈닝 레이어 상 잔여 전하 모두를(또는 거의 모두를) 방전시키는 데에 충분한 시간 동안(예를 들어 2초 동안) 이전에 기술된 방식으로 유지된다 (블록 336).
[0031] 시이즈닝 레이어의 플라즈마 방전 후에, 챔버는 시이즈닝 레이어의 교체 없이, 희망하는 수의(예를 들어 10회의) 연속적인 플라즈마 잠입 이온 주입 프로세스들을 수행할 준비가 되어 있다. 제1 챔버(125)가 챔버(100) 내로 도입되고 웨이퍼 지지 표면(130) 상에 두어지고, 큰 RF 바이어스 전압이 가해질 것이라면 수천 볼트 단위의 전압을 사용해서 척킹 전압 공급기(200)에 의해서 클램핑 정전기력이 척(120)에 가해진다(블록 350). 20-300 sccm의 유량으로 가스 분배 판에 아르곤 가스가 제공된다(블록 352). 플라즈마 소오스 전력이 소오스 전력 생성기들(184, 184')에 의해서 각각 13.56 ± 1 MHz의 주파수로 약 200-5000 와트의 전력 레벨로 RF 전력 어플리케이터들(170, 175)에 제공된다(블록 354). 10% B2H6 및 90% He의 혼합물이 가스 분배 판(188)에 공급된다(블록 356). 챔버(100)는 3-100 mT의 압력까지 비워진다(블록 358). 이들 조건들은 붕소 이온들의 요구되는 주입량에 이르기에 충분한 시간 동안 유지된다. 이러한 주입량은 100 - 1000 Ohm/sq 범위 내로 주입된 폴리실리콘 게이트 물질의 전기 저항성에 상응할 수 있다. 이러한 시점에서, 이온 주입 프로세스가 완료되고 중지되고 그리고 웨이퍼(125)가 척(120)으로부터 디-척킹되고 제거된다(블록 360).
[0032] 이온 주입 동안 부분적으로 제거되거나 얇아진 시이즈닝 레이어가 거의 그 원래 두께까지 시이즈닝 물질을 복원하는 데에 충분한 얇은 레어어의 실리콘 산화물 또는 부가적인 시이즈닝 재료 증착에 의해서 보충된다. 시이즈닝 또는 실리콘 산화물의 부가된 양은 원래 두께의 수분의 1, 예를 들어 1 Å 이하일 수 있다. 도 3a-3d의 프로세스에 있어서 블록 327의 보충적인 또는 단편적인 증착은 다음과 같이 수행된다: 실리콘-함유 가스를 도입하고(블록 327-1), 산소-함유 가스를 도입하고(블록 327-2), 그리고 생성기들(184, 184')로부터 RF 플라즈마 소오스 전력을 인가한다(블록 327-3). 시이즈닝 레이어 두께가 적어도 거의 그 원래 두께까지 회복되면, 이러한 보충적인 증착 프로세스를 중지한다(블록 327-4). 이어서, 이러한 후자의 보충적인 시이즈닝 레이어 증착(다시 말해서 블록 327의 증착) 동안 시이즈닝 레이어 내에 축적된 잔여 전하가 방전된다(블록 329). 이를 위해서, 순수한 (또는 거의 순수한) 아르곤의 고밀도 플라즈마가 챔버 내에 생성되고(블록 329-1) 블록 327의 시이즈닝 레이어 보충 증착 동안 축적된 시이즈닝 레이어 상 잔여 전하 모두를 (또는 거의 모두를) 방전시키기에 충분한 시간 동안 (예를 들어 2초 동안) 유지된다. 그 후에, 아르곤 플라즈마가 소멸된다(블록 329-2). 시이즈닝 레이어의 플라즈마 방전은 블록 232 및 블록 234의 초기(미리-주입된) 플라즈마 방전 단계와 유사한 방식으로 수행된다. 일 예시에 있어서, 아르곤 가스는 20-500 sccm의 유량으로 챔버 내로 제공되고 한편 RF 소오스 전력은 약 2초 동안 또는 가능하게는 더 적은 시간 동안 고밀도 플라즈마를 생성하기 위해 13.56 MHz로 약 200-500 와트의 범위에서 인가된다. 이것은 시이즈닝 레이어로부터 잔여 전하를 제거하기에 충분하다.
[0033] 이어서 다음 웨이퍼가 정전 척(120) 상에 클램핑되고(블록 362), 그리고 전술한 플라즈마 잠입 이온 주입 프로세스가 새로운 웨이퍼에 대하여 반복된다(블록 364). 앞서의 사이클이 희망하는 수의 웨이퍼들(예를 들어 7개의 웨이퍼들)에 대하여 반복된다(블록 366).
[0034] 이어서, 다음 그룹의 웨이퍼들에 대하여 사용될 새로운 시이즈닝 레이어에 대비하여 시이즈닝 레이어가 제거된다(블록 364). 시이즈닝 레이어는 불소-함유 프로세스 가스들을 도입하고 이어서 플라즈마를 충돌시키는 것에 의해서 제거될 수 있다. 구체적으로, 한 쌍의 RF 생성기들(184, 184')로부터 RF 전력이 인가된다. 이러한 플라즈마는 모든 시이즈닝 레이어가 제거될 때까지 유지된다. 이어서 전술한 프로세스는 블록 326의 단계까지 귀환하는 것에 의해서(블록 370) 반복된다.
[0035] 이상 본 발명의 실시예들에 관하여 기술하였지만, 본 발명의 다른 실시예들 또는 추가적인 실시예들이 본 발명의 기본적인 범주로부터 벗어나지 아니하면서 고안될 수 있으며, 그 범주는 첨부된 청구항들에 의해서 결정된다.

Claims (15)

  1. 챔버 내로 실란-함유 가스와 산소-함유 가스를 도입하고, 상기 챔버 내에 증착 플라즈마를 생성하고, 그리고 목표 두께의 실리콘 산화물 시이즈닝 레이어가 정전 척의 웨이퍼 지지 표면을 포함하는 상기 챔버의 안쪽 표면 상에 증착될 때까지 증착 플라즈마를 유지하고;
    상기 챔버 내로 아르곤을 도입하고 상기 챔버 내에 전도성 방전 플라즈마를 생성하고 그리고 상기 전도성 방전 플라즈마를 상기 시이즈닝 레이어 내 잔여 정전 전하가 방전될 때까지 유지하고;
    일련의 반도체 웨이퍼들 중 각각의 하나에 대하여:
    (a) 반응기 내로 반도체 웨이퍼를 도입하고 시즈닝 레이어-커버된 웨이퍼 지지 표면 상으로 상기 웨이퍼를 정전기력에 의해 클램핑하고;
    (b) 상기 챔버 내로 반도체 도펀트 불순물-함유 가스를 도입하고, 상기 챔버 내에 이온 주입 플라즈마를 생성하고 그리고 희망 이온 주입량에 도달할 때까지 상기 이온 주입 플라즈마를 유지하고;
    (c) 상기 웨이퍼 지지 표면으로부터 상기 웨이퍼를 디-척킹하고 상기 챔버로부터 상기 웨이퍼를 제거하고;
    (d) 상기 일련의 웨이퍼들 중 다음 웨이퍼에 대하여 단계 (a), (b) 및 (c)를 반복하고;
    기결정된 수의 웨이퍼들에 대하여 단계 (a) , (b) , (c) 및 (d)를 수행한 후에, 상기 챔버 내로 식각 종-함유 가스를 도입하고, 상기 챔버 내에 식각 플라즈마를 생성하고, 그리고 상기 시이즈닝 레이어가 상기 챔버 안쪽 표면들로부터 제거될 때까지 상기 식각 플라즈마를 유지하는 것을 포함하는,
    플라즈마 반응기 내 일련의 반도체 웨이퍼들을 이온 주입하는 방법.
  2. 제1 항에 있어서, 단계 (c) 후에 및 단계 (d) 전에
    (i) 상기 챔버 내로 실란-함유 가스와 산소-함유 가스를 도입하고, 상기 챔버 내에 증착 플라즈마를 생성하고, 그리고 상기 실리콘 산화물 시이즈닝 레이어의 두께가 (b) 동안 발생하는 두께 손실에 상응하는 양만큼 다시 채워질 때까지 상기 증착 플라즈마를 유지하는 것을 더 포함하는,
    플라즈마 반응기 내 일련의 반도체 웨이퍼들을 이온 주입하는 방법.
  3. 제2 항에 있어서, 단계 (i) 후에
    (ii) 상기 챔버 내로 아르곤을 도입하고, 상기 챔버 내에 전도성 방전 플라즈마를 생성하고, 그리고 상기 시이즈닝 레이어 내 잔여 정전 전하가 방전될 때까지 상기 전도성 방전 플라즈마를 유지하는 것을 더 포함하는,
    플라즈마 반응기 내 일련의 반도체 웨이퍼들을 이온 주입하는 방법.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 목표 두께는
    상기 시이즈닝 레이어가 일련의 복수의 웨이퍼들의 이온 주입 동안 최소 임계치를 넘는 두께를 유지하기에 충분히 두꺼운,
    플라즈마 반응기 내 일련의 반도체 웨이퍼들을 이온 주입하는 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 최소 임계치는 3000Å인,
    플라즈마 반응기 내 일련의 반도체 웨이퍼들을 이온 주입하는 방법.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 목표 두께는 약 4000 내지 9000Å 사이의 값인,
    플라즈마 반응기 내 일련의 반도체 웨이퍼들을 이온 주입하는 방법.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 일련의 웨이퍼들의 수는 약 10인,
    플라즈마 반응기 내 일련의 반도체 웨이퍼들을 이온 주입하는 방법.
  8. 제2 항에 있어서,
    상기 두께 손실은 약 1000Å인,
    플라즈마 반응기 내 일련의 반도체 웨이퍼들을 이온 주입하는 방법.
  9. 제2 항에 있어서, 상기 목표 두께는
    상기 시이즈닝 레이어가 선택된 수의 일련의 웨이퍼들의 이온 주입 동안 최소 임계치를 넘는 두께를 유지하기에 충분하지 않은,
    플라즈마 반응기 내 일련의 반도체 웨이퍼들을 이온 주입하는 방법.
  10. 제4 항에 있어서,
    상기 최소 임계치는 3000Å인,
    플라즈마 반응기 내 일련의 반도체 웨이퍼들을 이온 주입하는 방법.
  11. 제4 항에 있어서,
    상기 목표 두께는 약 4000 내지 9000Å 사이의 값인,
    플라즈마 반응기 내 일련의 반도체 웨이퍼들을 이온 주입하는 방법.
  12. 제4 항에 있어서,
    상기 일련의 웨이퍼들의 수는 약 15 내지 20인,
    플라즈마 반응기 내 일련의 반도체 웨이퍼들을 이온 주입하는 방법.
  13. 초기 두께의 실리콘-함유 시이즈닝 레이어로 웨이퍼 지지 표면을 포함하는 반응기의 안쪽 표면들을 코팅하고;
    상기 시이즈닝 레이어로부터 잔여 정전 전하를 제거하기에 충분한 시간 동안 상기 챔버 내에 비활성 종의 플라즈마를 유지하고;
    일련의 복수의 웨이퍼들 중 각각의 하나에 대하여, 상기 챔버 내로 현재의 웨이퍼를 도입하고 그리고 상기 웨이퍼 내 희망 이온 주입량을 실현하기에 충분한 시간 동안 상기 챔버 내에 이온 주입 플라즈마를 유지하고 그리고 상기 챔버 내로 상기 일련의 웨이퍼들 중 다음 웨이퍼를 도입하는 것을 포함하는,
    플라즈마 반응기 내 일련의 반도체 웨이퍼들의 플라즈마 잠입 이온 주입 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 현재의 웨이퍼를 제거한 후에 및 상기 다음 웨이퍼를 도입하기 전에,
    (i) 상기 시이즈닝 레이어 상에 상응하는 양의 실리콘-함유 시이즈닝 물질을 증착하는 것에 의해서, 상기 챔버 내 현재의 웨이퍼의 처리 동안 발생한 상기 시이즈닝 레이어로부터의 물질의 단편적인 손실을 보상하는 것을 더 포함하는,
    플라즈마 반응기 내 일련의 반도체 웨이퍼들의 플라즈마 잠입 이온 주입 방법.
  15. 제14 항에 있어서, 단계 (i)에 이어서,
    (ii) 상기 시이즈닝 레이어로부터 잔여 정전 전하를 제거하기에 충분한 시간 동안 상기 챔버 내에 비활성 종의 플라즈마를 유지하는 것을 더 포함하는,
    플라즈마 반응기 내 일련의 반도체 웨이퍼들의 플라즈마 잠입 이온 주입 방법.
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