KR20120008472A - 플라즈마 도핑장치 및 플라즈마 도핑방법 - Google Patents

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KR20120008472A
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마사시 구리야마
히로키 무로오카
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스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
가부시키가이샤 에스이엔
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Abstract

[과제] 플라즈마 도핑에 의한 불순물 주입의 실용화에 기여한다.
[해결수단] 반도체기판(W)에 불순물을 첨가하기 위한 플라즈마 도핑장치(10)는, 챔버(12)와, 챔버(12)에 기체를 공급하기 위한 기체공급부(14)와, 공급된 기체의 플라즈마를 챔버(12)에 발생시키기 위한 플라즈마원(源)(16)을 구비한다. 기판(W)에 첨가되어야 할 불순물원소를 포함한 원료가스와, 수소가스와, 원료가스를 희석하기 위한 희석가스를 포함한 혼합가스가 챔버(12)에 공급된다.

Description

플라즈마 도핑장치 및 플라즈마 도핑방법{Plasma doping device and plasma doping method}
본 출원은, 2010년 7월 16일에 출원된 일본 특허출원 제2010-161298호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참조에 의하여 원용되어 있다.
본 발명은, 플라즈마 도핑장치 및 플라즈마 도핑방법에 관한 것이다.
반도체 제조공정에 있어서 기판표면에 불순물 주입층을 형성하기 위하여, 이온주입기술에 더하여, 플라즈마 도핑기술을 적용하는 것이 시도되고 있다. 플라즈마 도핑기술에 의한 불순물의 주입은, 낮은 저항의 극히 얕은 접합의 형성을 높은 스루풋으로 실현하는 새로운 방법으로서 실용화가 기대되고 있다.
예컨대 특허문헌 1, 2에는, 실리콘기판표면에 플라즈마를 조사(照射)하여 아몰퍼스층을 형성하고, 그렇게 하여 얻어진 아몰퍼스층에 불순물을 도입하는 불순물 도입방법이 기재되어 있다. 도입되어야 할 불순물은 예컨대 붕소(Boron)이며, 붕소를 포함한 원료가스로서, 예컨대 다이보레인(diborane, 디보란) 가스가 사용된다. 또한, 특허문헌 3에 의하면, 다이보레인 가스를 헬륨가스로 저농도로 희석한 가스의 플라즈마를 이용하는 것이 도즈량의 면내(面內) 균일성의 향상에 유효하다고 되어 있다. 특허문헌 4에도, 다이보레인이 혼합된 헬륨가스 분위기에 있어서의 플라즈마 도핑방법이 기재되어 있다.
국제공개 제2004/075274호 국제공개 제2005/119745호 국제공개 제2006/064772호 일본 특허공개 소64－45117호 공보
불순물 주입공정에 있어서의 아몰퍼스층은, 채널링의 억제효과가 있다. 즉, 불순물 주입 전에 아몰퍼스층을 형성하여 둠으로써, 주입에 있어서의 여분의 깊이방향으로의 불순물 확산을 억제할 수 있다. 상기의 플라즈마 조사에 의한 아몰퍼스층 형성은, 이른바 봄바드먼트(bombardment) 효과를 이용하고 있다. 즉, 대량의 헬륨이온을 충돌시켜서 기판 표층에 결정 결함을 일으킴으로써 아몰퍼스층이 형성되고 있다. 불순물의 주입공정은, 이 아몰퍼스층 형성 후에 행하여진다.
불순물 주입 후, 불순물의 전기적 활성화를 위한 열처리가 행하여진다. 동(同) 공정은 플라즈마 도핑에 있어서도 통상의 이온주입과 마찬가지로 행하여진다. 그러나, 헬륨가스를 이용하는 플라즈마에서의 아몰퍼스화 및 도핑에서는, 생성된 아몰퍼스층에 밀도의 편재가 발생한다. 이 밀도의 편재에 의하여, 열처리에 의한 결정의 재생 시에 결함이 발생한다. 그 결과, 최종제품으로서 제조되는 디바이스의 수율의 저하, 또는 디바이스 성능의 저하를 일으킨다. 이러한 문제가 존재하기 때문에, 상기 각 문헌에 기재된 불순물 도입방법은 결국, 아직도 실용단계에 도달하지 못하고 있다.
본 발명의 목적은, 상기 서술한 결정 결함의 발생을 억제하여, 낮은 저항의 극히 얕은 접합의 형성을 높은 스루풋으로 실현하는 플라즈마 도핑장치 및 플라즈마 도핑방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명이 어느 태양(態樣)은, 반도체기판에 불순물을 첨가하기 위한 플라즈마 도핑장치이다. 이 장치는, 챔버와, 상기 챔버에 기체를 공급하기 위한 기체공급부와, 공급된 기체의 플라즈마를 상기 챔버에 발생시키기 위한 플라즈마원(源)을 구비한다. 상기 기체공급부는, 기판에 첨가되어야 할 불순물원소를 포함하는 원료가스와, 수소가스와, 상기 원료가스를 희석하기 위한 희석가스를 포함한 혼합가스가 상기 챔버에 공급되도록 구성되어 있다.
이 태양에 의하면, 플라즈마에의 수소의 혼입에 의하여, 플라즈마로부터의 이온충돌에 대한 기판 표층의 결정의 자기(自己) 회복작용이 강화된다. 이로써, 플라즈마 조사에 의하여 발생한 기판표면 아몰퍼스층에 있어서의 아몰퍼스층의 밀도의 편재가 경감되어, 후속공정의 활성화처리 중의 결함의 성장이 억제된다.
본 발명의 다른 태양은, 불순물원소를 가지는 원료가스를 포함한 혼합가스를 진공환경에 공급하고, 그 혼합가스의 플라즈마를 발생시키며, 그 진공환경에서 기판에 그 플라즈마를 조사하여 상기 불순물원소를 주입하는 플라즈마 도핑방법이다. 이 방법은, 상기 플라즈마에 수소를 혼입시킴으로써, 그 플라즈마의 조사에 의하여 발생된 기판표면의 아몰퍼스층의 밀도의 편재를 경감시킨다.
본 발명에 의하면, 플라즈마 도핑에 의한 불순물 주입기술의 실용화가 촉진된다.
도 1은, 본 발명의 한 실시형태에 관한 플라즈마 도핑장치의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2는, 전형적인 플라즈마 도핑처리 및 어닐처리를 하였을 때의 기판의 표면거칠기와 바이어스전압과의 관계를 나타내는 산포도이다.
도 3은, 플라즈마 도핑처리에 의한 표면거칠기의 발생 메카니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는, 본 발명의 한 실시형태에 관한 시트저항의 측정결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는, 본 발명의 한 실시형태에 관한 2차이온 질량분석법에 따르는 분석결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은, 본 발명의 한 실시형태에 관한 시트저항의 측정결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은, 본 발명의 한 실시형태에 관한 시트저항의 측정결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은, 본 발명의 한 실시형태에 관한 시트저항의 면내 균일성의 측정결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는, 본 발명의 한 실시형태에 관한 시트저항의 측정결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은, 본 발명의 한 실시형태에 관한 시트저항의 면내 균일성의 측정결과를 나타내는 그래프이다.
도 1은, 본 발명의 한 실시형태에 관한 플라즈마 도핑장치(10)의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다. 플라즈마 도핑장치(10)는, 챔버(12)와, 기체공급부(14)와, 플라즈마원(16)과, 기판홀더(18)를 포함하여 구성된다. 플라즈마 도핑장치(10)는, 이들 구성요소 및 기타의 요소를 제어하기 위한 제어장치(도시하지 않음)를 구비한다.
챔버(12)는, 내부에 진공환경을 제공하기 위한 진공용기이다. 챔버(12)에는, 내부를 진공배기하기 위한 진공펌프(20)가 부설되어 있다. 진공펌프(20)는 예컨대 터보분자 펌프이다. 진공펌프(20)는 진공밸브(22)를 통하여 챔버(12)에 접속된다. 진공밸브(22)는 예컨대 베리어블 컨덕턴스 밸브이며, 터보분자 펌프의 흡입구에 장착되어 있다. 터보분자 펌프의 후단에는 러핑펌프(도시하지 않음)가 설치되어 있다. 챔버(12)는 어스에 접속되어 있다.
진공펌프(20) 및 진공밸브(22)는, 챔버(12)의 내부를 원하는 진공도로 제어하기 위한 자동압력조정 시스템(APC)을 구성한다. 이 자동압력조정 시스템은, 챔버(12)의 압력을 측정하기 위한 압력센서(도시하지 않음), 및 압력측정치에 근거하여 진공밸브(22)(및 진공펌프(20))를 제어하기 위한 압력컨트롤러(도시하지 않음)를 더욱 포함한다. 자동압력조정 시스템에 의하여, 챔버(12) 내의 진공환경은 예컨대, 플라즈마 도핑처리에 바람직한 프로세스가스 압력범위로 유지된다.
기체공급부(14)는, 챔버(12)에 프로세스가스를 공급하기 위하여 설치되어 있다. 기체공급부(14)는, 단일 또는 복수의 가스원(源)과, 그 가스원을 챔버(12)에 접속하여 가스를 챔버(12)에 도입하기 위한 배관계통을 포함한다. 이 배관계통은, 챔버(12)에 공급하는 가스유량을 제어하기 위한 매스플로 컨트롤러를 포함하여도 좋다. 기체공급부(14)가 단일의 가스원을 가지는 경우에는, 복수종류의 가스를 원하는 비율로 미리 혼합한 프로세스가스가 그 가스원에 저장되어 있어도 좋다.
도시된 실시예에 있어서는, 기체공급부(14)는, 불순물가스원(24) 및 캐리어가스원(28)을 구비한다. 기체공급부(14)는, 불순물가스원(24)으로부터 공급되는 불순물가스의 유량을 제어하기 위한 제1 매스플로 컨트롤러(26)와, 캐리어가스원(28)으로부터 공급되는 캐리어가스의 유량을 제어하기 위한 제2 매스플로 컨트롤러(30)를 구비한다.
불순물가스는, 기판(W)에 첨가되어야 할 원하는 불순물을 포함한 원료가스, 또는 이 원료가스를 희석가스로 희석한 가스이다. 원료가스는 원하는 불순물에 맞추어 선택된다. 원료가스의 분자에는 불순물원소가 포함된다. 기판(W)에 주입하는 불순물이 예컨대 붕소(B), 인(P), 비소(As)인 경우에는 각각, 원료가스는 예컨대 B2H6, PH3, AsH3 등이 사용된다. 한 실시예에 있어서는, 불순물은, 붕소, 인, 비소, 갈륨, 게르마늄, 및 탄소 중 적어도 1종이어도 좋다.
원료가스를 희석하기 위한 희석가스는 예컨대, 수소, 아르곤, 헬륨, 네온, 제논(크세논) 중 하나이다. 혹은, 이들 중 복수종이 희석가스로서 병용되어도 좋다. 희석가스는 원료가스의 플라즈마 착화(着火)성을 개선하기 위한 어시스트가스로서 사용되어도 좋다. 한 실시예에 있어서는, 원료가스로서 B2H6 가스를 사용하는 경우에는, 가스원에서의 붕소의 분말화를 피하기 위하여, 수소가스로 20% 이하로 희석하여 사용된다. 캐리어가스원(28)으로부터 공급되는 캐리어가스는, 희석가스와 마찬가지로, 예컨대, 수소, 아르곤, 헬륨, 네온, 제논 중 하나이다. 또한, 이들 중 복수종이 캐리어가스로서 병용되어도 좋다.
기체공급부(14)는, 제1 매스플로 컨트롤러(26)에 의하여 불순물가스의 유량을 제어하고, 제2 매스플로 컨트롤러(30)에 의하여 캐리어가스의 유량을 제어함으로써, 원하는 유량비로 혼합가스를 챔버(12)에 공급한다. 후술하는 바와 같이 본 발명의 한 실시형태에 있어서는, 혼합가스는, 원료가스, 수소가스, 및 희석가스를 포함한다. 그로 인하여, 불순물가스원(24) 및 캐리어가스원(28) 중 적어도 일방에 저장되어 있는 가스는 수소가스를 포함한다. 혹은, 기체공급부(14)는 챔버(12)에 수소가스를 공급하기 위한 수소 공급계통을 구비하여도 좋다. 이와 같이 하여, 원료가스, 수소가스, 및 희석가스를 포함하는 혼합가스가 챔버(12)에 공급되도록 기체공급부(14)는 구성되어 있다.
플라즈마원(16)은, 기체공급부(14)로부터 챔버(12)에 공급된 가스에 플라즈마를 발생시킨다. 플라즈마원(16)은 챔버(12)에 접하여 그 외부에 설치되어 있다. 한 실시예에 있어서는 플라즈마원(16)은 ICP(유도 결합형 플라즈마)라고 불리는 플라즈마 발생방식의 플라즈마원이다. 플라즈마원(16)은, 고주파전원(32), 플라즈마 발생용 코일(34), 및 인슐레이터(36)를 포함한다. 고주파전원(32)은 예컨대 13.56MHz의 교류전원이며, 플라즈마 발생용 코일(34)에 전력을 공급한다. 플라즈마 발생용 코일(34)은 챔버(12)의 기판홀더(18)에 대향하는 일면(도시한 예에서는 상면)에 장착되어 있다. 코일(34)이 장착되어 있는 챔버(12)의 일면에는, 유전체의 재료로 구성된 플랜지인 인슐레이터(36)가 설치되어 있다.
기판홀더(18)는, 플라즈마 도핑처리가 이루어지는 기판(W)을 지지하기 위하여 챔버(12)의 내부에 설치되어 있다. 기판(W)은 반도체기판이며, 예컨대 실리콘을 주재료로 하는 기판이다. 기판홀더(18)는, 기판(W)을 지지하기 위하여 예컨대 정전 척 또는 기타 고정수단을 구비하여도 좋다. 한 실시예에 있어서는, 기판홀더(18)는, 온도가 제어되는 기판접촉부를 가지며, 이 기판접촉부에 기판(W)이 재치(載置)되어 정전흡착에 의하여 고정된다. 이렇게 하여 기판(W)은, 플라즈마 도핑처리에 바람직한 기판온도로 관리된다.
또한, 기판홀더(18)에는 바이어스 전원(38)이 접속되어 있다. 바이어스 전원(38)은, 기판홀더(18)에 지지된 기판(W)을 향하여 플라즈마 내의 이온을 끌어 오기 위한 전위를 기판(W)에 부여한다. 바이어스 전원(38)은 직류전원, 펄스전원, 또는 교류전원이다. 도시된 실시예에서는 바이어스 전원(38)은 교류전원이다. 이 경우, 플라즈마 발생용의 고주파전원(32)보다는 낮은 주파수(예컨대 1MHz 이하)의 교류전원이 사용된다. 따라서, 이하에서는 바이어스 전원(38)을 저주파 전원이라고 하는 경우도 있다.
플라즈마 도핑장치(10)에 있어서는, 예컨대 이하에 기술하는 바와 같이 플라즈마 도핑처리가 실행된다. 먼저, 진공펌프(20)에 의하여 원하는 진공도로 챔버(12)가 배기되고, 처리되어야 할 기판(W)이 챔버(12)로 반입된다. 기판(W)은 기판홀더(18)에 지지된다. 기체공급부(14)에 의하여 원하는 유량비로 혼합된 프로세스가스가 챔버(12)에 공급된다. 이때 자동압력조정 시스템에 의하여 계속하여 진공도가 조절되고 있다. 고주파전원(32)으로부터 플라즈마 발생용 코일(34)에 통전하여 자계를 발생시킨다. 자계는 인슐레이터(36)를 통과하여 챔버(12)에 진입하여, 프로세스가스의 플라즈마를 발생시킨다.
바이어스 전원(38)을 사용하여, 기판홀더(18)에 지지되어 있는 기판(W)에 전위를 발생시킨다. 플라즈마에 존재하는 이온이 기판(W)을 향하여 가속되고, 기판(W)의 표층영역에 불순물이 주입된다. 소정의 종료조건이 성립하였을 때에 고주파전원(32) 및 바이어스 전원(38)으로부터의 급전은 정지된다. 가스의 공급도 정지된다. 처리완료된 기판(W)은 챔버(12)로부터 반출된다.
다만, 원료가스의 챔버(12)에의 공급개시는 플라즈마의 착화 후이더라도 좋다. 이 경우, 먼저 캐리어가스의 공급이 선행하여 개시되고, 캐리어가스에 플라즈마를 발생시킨 후, 원료가스가 챔버(12)에 공급된다. 또한, 플라즈마 도핑처리를 종료할 때에 있어서도, 먼저 원료가스의 공급을 선행하여 정지하고, 그 후에 급전 및 캐리어가스 공급을 정지하여 플라즈마를 소멸시키도록 하여도 좋다.
플라즈마 도핑처리가 된 기판(W)에 대해서는, 플라즈마 도핑의 후속공정인 열처리가 행하여진다. 이 열처리는, 플라즈마 도핑처리에 의하여 기판(W)에 발생된 결정 결함을 회복하여, 주입된 불순물을 전기적으로 활성화시키기 위한 처리이다. 열처리는 예컨대 급열(急熱) 어닐처리(RTA), 레이저 어닐, 또는 플래시 램프 어닐이며, 도시하지 않은 어닐 장치에 의하여 행하여진다. 한 실시예에 있어서는, 어닐 장치가 플라즈마 도핑장치의 후속공정으로서 연결되어 연속적으로 기판이 처리되는 인라인형의 기판처리 시스템으로서 구성되어 있어도 좋다. 다만 도시된 실시예에 있어서는, 플라즈마 도핑장치는 다른 공정으로부터 독립적으로 설치되어 그때마다 기판이 반입반출되는 오프라인형의 처리장치로서 구성되어 있다.
도 2는, 전형적인 플라즈마 도핑처리 및 어닐처리를 하였을 때의 기판의 표면거칠기와 바이어스전압의 관계를 나타내는 산포도이다. 본 발명자에 의한 측정결과를 나타낸다. 도 2에 △ 표시로 나타내는 측정결과는, 300mm 실리콘웨이퍼의 중심부근 500㎚×500㎚ 내에서의 자승평균 거칠기를 원자력간 현미경(AFM)으로 측정한 것이다. 측정대상인 실리콘웨이퍼는, 헬륨가스로 1000ppm으로 희석된 B2H6 가스를 사용하여 플라즈마 도핑을 행하고 있다. 도즈량은 1.5×1015atoms/㎠이다. 어닐조건은, 질소분위기에서 1150℃, 30초이다. 측정결과의 경향을 도 2에 일점 쇄선으로 나타낸다.
또한 도 2에 나타내는 점선의 범위(M)는, 공지된 저에너지(300eV)의 이온주입에서 동일 도즈량(1.5×1015atoms/㎠)으로 하였을 때의 자승평균 거칠기이다. 현재의 디바이스 제작은 이 범위(M)에서 행하여지고 있다. 따라서, 다른 기법으로 불순물을 주입하였을 때의 자승평균 거칠기가 그 범위(M)에 있으면, 그 방법에 문제가 없다고 평가할 수 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 플라즈마 도핑에 있어서의 바이어스전압이 낮은 경우라면, 어닐처리 후의 기판표면거칠기가 저에너지 이온주입의 경우와 동일 레벨이다. 그러나, 플라즈마 도핑의 경우, 바이어스전압을 높게 함에 따라, 어닐처리 후의 기판표면거칠기는 저에너지 이온주입의 경우보다 악화되어 가는 경향이 있는 것을 알 수 있다. 이는, 대량의 헬륨이온에 의한 봄바드먼트 효과에 의하여 결정의 결함이 잔류한 결과라고 생각된다.
도 3은, 플라즈마 도핑처리에 의한 표면거칠기의 발생 메카니즘을 설명하기 위한 도면이다. 도 3에는, 본 발명자의 고찰에 의한 표면거칠기 발생 메카니즘을 나타낸다. 도 3에는, 기판(W)의 초기상태(100)에서부터, 플라즈마 도핑처리(102) 및 어닐처리(104)를 거쳐 표면손상 상태(106)까지를 나타낸다. 초기상태(100)에 있어서는, 기판(W)을 구성하는 원자(예컨대 실리콘원자)(108)가 결정상태로 배열되어 있다.
플라즈마 도핑처리(102)에 있어서는, 대량의 이온(110)이 기판표면에 끌어 당겨져 충돌한다. 상기 서술한 바와 같이 원료가스를 헬륨가스로 희석하고 있는 경우에는, 플라즈마로부터 대량의 헬륨이온이 기판(W)을 향하여 가속되어 기판원자(108)에 충돌한다. 기판원자(108)는 충돌에 의하여 산란되어, 기판(W)의 표면에 결정층(114)보다 약간 밀도가 낮은 아몰퍼스층(112)(파선으로 나타낸다)이 형성된다. 아몰퍼스층(112)의 밀도분포는 균일하지 않다. 도시와 같이, 아몰퍼스층(112)의 밀도분포에는 국소적인 소밀(疏密)의 편재가 있다고 생각된다.
어닐처리(104)에 의하여 기판(W)에 열이 주어진다. 어닐의 초기에 아몰퍼스층(112)의 밑에 존재하는 원래의 결정층(114)에 끌어 당겨져, 상하방향으로 아몰퍼스층(112) 내의 기판원자(108)가 재배열된다. 일단 상하로 배열된 기판원자(108)는 구속되어, 좌우방향으로는 이동하기 어려워진다. 따라서, 아몰퍼스층(112)에 있어서 상하방향으로 기판원자(108)의 수가 적은 위치는 오목하게 되고, 상하방향으로 기판원자(108)의 수가 많은 위치는 볼록하게 된다. 이렇게 하여, 상태 106에 나타내는 바와 같이, 아몰퍼스층(112)에 있어서의 밀도의 편재가 기판표면의 요철 즉 표면손상으로 나타났다고 생각된다. 기판에 인가하는 바이어스전압을 크게 할수록 표면에 생기는 결정의 결함도 커지게 된다.
어닐처리에 의하여 불순물이 활성화되므로, 기판표면의 시트저항은 어닐처리 전보다도 저하된다. 그런데, 도 3에 나타내는 바와 같이 기판표면에 결함이 잔류하는 결과로서, 불순물의 활성화에 의하여 본래 저하되어야 할 수준까지는 시트저항이 내려가지 않는다. 그렇게 되면, 최종제품인 디바이스의 동작속도의 저하나 옴 가열에 의한 에너지손실이 생길 수 있다. 디바이스의 게이트와의 접촉부에 정확히 결함이 중첩되었을 경우에는, 최악의 경우, 그 디바이스가 동작하지 않을 우려가 있다. 플라즈마 도핑을 제조공정에 채용하였을 때의 디바이스의 수율저하가 염려된다. 미세화의 진전에 의하여 회로선폭이 좁아질수록 결함에 의한 이러한 영향은 커진다.
애초에 플라즈마 도핑이 이온주입의 대체기술로 주목받아 온 것은, 일괄하여 주입할 수 있는 면적의 대형화가 저에너지이더라도 비교적 용이하고, 높은 스루풋으로 얕은 결합을 형성하는 것이 기대되었기 때문이다. 헬륨가스로 극히 저농도로 희석된 원료가스를 사용함으로써, 주입되는 불순물의 스퍼터링과 주입이 평형화되어, 불순물의 주입량의 균일성 및 재현성을 양호하게 할 수 있다. 주입된 불순물의 확산이 아몰퍼스층과 결정의 경계에서 멈추기 때문에, 반도체의 성능을 결정하는 요소인 도즈 프로파일의 급준(急峻)성에 대해서도 뛰어난 결과를 얻을 수 있다.
따라서, 이러한 이점을 가지는 플라즈마 도핑에 의한 불순물 주입기술의 실용화를 촉진하기 위하여, 불순물의 활성화처리를 한 후에 있어서의 기판표면의 결함을 억제하는 기술이 요구될 것이다. 그 기술의 내용은 물론이고, 그러한 억제대책의 필요성조차 아직도 알려지지 않았다. 예컨대 상기 기재된 특허문헌에 있어서는 어닐처리를 한 후에 있어서 기판표면에 무시할 수 없는 손상이 생기는 것 자체도 전혀 언급되지 않았다.
결함은 대량의 어시스트가스 이온에 기인하고 있기 때문에, 이를 억제하는 몇 가지의 단순한 방법을 생각할 수 있다. 예컨대, (1) 어시스트가스로서 사용하는 원소의 원자량을 작게 한다거나, (2) 주입에너지를 작게 한다거나, (3) 어시스트가스량을 줄인다거나 하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 어느 기법도 반드시 현실적이지는 않다. 예컨대, 어시스트가스로서 비교적 양호하다고 되어 있는 헬륨보다 원자량이 작은 가스는 수소로 한정됨에도 불구하고, 수소가스만을 어시스트가스로 한 경우에는 균일성, 재현성, 급준성이 실용레벨이 아니다. 또한, 제조하여야 할 디바이스 성능에 의하여 주입깊이가 결정되고, 이로써 주입에너지가 결정되므로, 주입에너지는 사실상 조정 가능한 파라미터가 아니다. 어시스트가스량을 줄인 경우에는 원료가스 농도가 높아지므로, 역시 균일성, 재현성, 급준성이 열화된다.
본 발명자는 이러한 상황 하에서 연구 및 실험에 예의 몰두한 바, 양호한 균일성, 재현성, 급준성을 유지하면서 어닐처리 후의 결함을 억제할 수 있는 유효한 방법을 발견하였다. 본 발명자는, 플라즈마에 적당량의 수소를 혼입함으로써, 충돌입자에 의한 봄바드먼트 효과 나아가서는 아몰퍼스층의 밀도의 편재가 경감되어, 어닐처리 후에 있어서 양호한 균일성, 재현성, 급준성을 얻을 수 있다는 것을 발견하였다.
플라즈마에의 적당량의 수소의 혼입에 의하여, 플라즈마로부터의 이온충돌에 대한 기판 표층의 결정의 자기회복작용이 강화된다. 즉, 헬륨의 봄바드먼트에 의하여 파괴되는 기판원자(예컨대 실리콘)끼리의 결합에 플라즈마에 의하여 래디칼화 또는 이온화된 수소가 들어가서, 순간적으로 실리콘과 수소간에 결합이 생성된다. 이 결합의 결합력은 약하여, 결국은 헬륨의 봄바드먼트에 의하여 파괴된다. 그러나, 이 실리콘-수소간 결합의 존재에 의하여, 수소를 혼입하지 않는 경우보다 많은 에너지가 결정의 파괴에 필요하다. 이로 인하여, 동일 에너지에서는, 결정의 파괴정도는 비교적 약해진다. 따라서, 플라즈마 조사에 의하여 발생된 기판표면 아몰퍼스층에 있어서의 밀도의 편재가 경감되고, 후속공정의 활성화처리 중의 결함의 성장이 억제된다.
본 발명의 한 실시형태에 있어서는, 원하는 불순물원소를 포함하는 원료가스와, 수소가스와, 원료가스를 희석하기 위한 희석가스를 포함한 혼합가스가 챔버(12)에 공급된다. 이 혼합가스는, 저농도로 희석된 원료가스와, 원료가스보다 고농도인 수소가스를 포함하여도 좋고, 잔부가 실질적으로 희석가스이더라도 좋다. 희석가스는 예컨대 헬륨가스이며, 헬륨가스는 수소가스보다 고농도이더라도 좋다. 한 실시예에 있어서는, 원료가스 농도는 1% 이하이다. 한 실시예에 있어서는, 수소가스 농도는 1% 이상이다.
한 실시예에 있어서는, 플라즈마 도핑장치(10)는, 헬륨가스 또는 기타 희석가스에 의하여 1% 이하의 저농도로 희석된 불순물 원료가스를 사용하고, 플라즈마 조사에 의한 불순물 주입시에 플라즈마에 수소가 혼입되어 있도록 구성되어 있어도 좋다. 혹은, 한 실시예에 있어서는, 플라즈마 도핑장치(10)는, 수소가스 또는 기타 희석가스에 의하여 1% 이하의 저농도로 희석된 불순물 원료가스를 사용하고, 플라즈마 조사에 의한 불순물 주입시에 플라즈마에 헬륨이 혼입되어 있도록 구성되어 있어도 좋다.
이와 같이 하여 수소와 헬륨을 플라즈마에 동시에 존재시킴으로써, 헬륨에 의한 결정구조의 파괴와 수소에 의한 결정회복을 병존시킬 수 있다. 이로써, 아몰퍼스층의 밀도의 편재가 경감된다. 바람직한 수소가스 농도를 정하기 위한 하나의 관점은 수소가스에 의한 결정회복작용과 희석가스에 의한 봄바드먼트 효과의 밸런스를 고려하는 것이며, 수소가스 농도의 바람직한 범위는 실험적으로 결정하는 것이 가능하다.
도 4 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 한 실시형태에 관한 플라즈마 도핑에 의한 측정결과를 설명한다. 이 실시예에 있어서는, 유량비로 수소가스를 7%, B2H6 가스를 0.2%, 헬륨가스를 잔여의 약 93%로 하는 혼합가스를 이용하여, 도 1에 나타내는 플라즈마 도핑장치(10)에 의하여 기판에 플라즈마 도핑을 하였다. 사용한 기판은 300mm 직경의 N형 반도체용 웨이퍼이다. 도즈량은 1.3×1015atoms/㎠이다. 그 후 어닐 장치에 의하여 1150℃, 30초의 어닐처리를 행하였다.
다만, 이 1150℃, 30초의 어닐처리는, 주입된 불순물의 활성화에 충분한 어닐이다. 경험적으로 보아, 1050℃ 이상 5초 이상의 어닐이면, 주입된 불순물의 활성화에 충분하다고 평가할 수 있다. 따라서, 이하에 설명하는 측정결과는, 플라즈마 도핑의 후속공정으로서 1050℃ 이상 5초 이상의 어닐을 하였을 때에도 동등한 양호한 결과가 얻어진다고 예측된다.
도 4는, 본 발명의 한 실시형태에 관한 시트저항의 측정결과를 나타내는 그래프이다. 시트저항값 Rs(Ω／□)는, 4단자 측정법에 의하여 측정하였다. 도 4의 세로축은 시트저항의 측정치(Rs)이고, 가로축은 주입에너지인 저주파 전원(38)의 와트수이다. 상기 서술한 유량비의 혼합가스 및 어닐조건을 사용하였을 때의 시트저항값을 도 4에 ■표시로 나타내고, 그 경향을 실선으로 나타낸다. 비교예로서 희석가스를 헬륨만으로 하였을 때의 측정치를 ◆표시로 나타내고, 희석가스를 수소가스만으로 하였을 때의 측정치를 △표시로 나타낸다. 이들 2개의 비교예는 희석가스를 제외하고 실시예와 동일 조건으로 처리되어 측정되고 있다. 비교예의 측정결과의 경향을 파선으로 나타낸다.
헬륨 및 수소 쌍방을 포함한 가스를 사용하였을 때에, 어느 일방만인 경우에 비하여, 도즈량이 약 1.5×1015atoms/㎠와 거의 동일함에도 불구하고, 시트저항값이 크게 내려간다는 놀랄만한 결과가 얻어졌다. 헬륨만의 비교예에 있어서의 시트저항 측정치는 약 120Ω／□이며, 수소만의 비교예에 있어서의 시트저항 측정치는 약 100Ω／□인데 대하여, 본 실시예에 있어서의 시트저항 측정치는 약 70Ω／□이다. 플라즈마 도핑조건 및 어닐조건에 따라 시트저항값은 변동한다. 그러나, 수소를 혼입하였을 때에 시트저항값이 작아지는 대소관계는, 이들 처리조건에 따라 변화하지 않을 것이다. 다만 헬륨만의 비교예보다 수소만의 비교예 쪽이 시트저항이 작은 것은, 수소 쪽이 원자량이 작아 봄바드먼트 효과도 작기 때문이다.
본 실시예에 의하면, 100W 정도의 저에너지로부터 1000W 정도의 고에너지까지의 넓은 주입에너지 범위에 걸쳐서 시트저항값은 낮은 레벨로 유지되고 있다. 덧붙여서, 기판을 실리콘으로 한 경우, 100W에서의 불순물 농도가 5×1018atoms/㎤까지 떨어지는 기판표면으로부터의 깊이는 약 2㎚이고, 1000W에서는 약 18㎚이다. 또한, 비교예에 있어서는 모두 주입에너지를 높게 함에 따라 시트저항도 커지는 경향을 볼 수 있는데 대하여, 본 실시예에 있어서는 주입에너지가 높아짐에 따라 시트저항은 감소하고 있다. 도 2에 나타내는 바와 같이 전형적인 플라즈마 도핑에 있어서는 주입에너지를 높게 함에 따라 어닐 후의 표면거칠기도 커지는데 대하여, 본 실시예에서는 고에너지이더라도 저에너지와 동일 레벨 이하의 표면거칠기가 얻어진다고 추측된다.
본 실시예의 양호한 결과에는, 수소에 의한 결정의 자기(自己)회복 기능이 관여하고 있다. 즉, 플라즈마에 수소가 혼입되어 있음으로써, 헬륨이온의 충돌에 의한 실리콘원자의 산란이 실리콘 수소간 결합에 의하여 억제되고 있다고 생각된다. 헬륨만의 비교예에서는 대량의 헬륨이온에 의한 봄바드먼트 효과의 영향이 두드러져 있다. 그러나, 하나하나의 헬륨이온의 충돌에너지는, 1000W 정도의 고에너지이더라도 실제로는 그만큼 크지는 않다. 수소원자가 가지는 결합에너지에 의하여 실리콘원자의 산란이 억제되어, 전체적으로 비교적 고밀도의 아몰퍼스층이 형성된다. 이로써, 본 실시예에서는 어닐 후의 시트저항 및 표면거칠기가 낮아졌다고 생각된다.
다만, 마찬가지 이유에 의하여, 헬륨보다 원자량이 큰 희석가스(예컨대 아르곤, 제논, 네온 등)를, 헬륨과 함께 또는 헬륨 대신 사용하는 것도 가능하여진다고 생각된다. 즉, 원자량이 클수록 봄바드먼트 효과가 커지지만, 수소를 혼입시킴으로써 봄바드먼트 효과를 경감시킬 수 있으므로, 원자량이 큰 희석가스를 채용하는 것이 가능하여진다.
도 5는, 본 발명의 한 실시형태에 관한 2차이온 질량분석법(SIMS)에 의한 분석결과를 나타내는 그래프이다. 도 5에 나타내는 그래프 A 내지 F는 각각 하기의 사용가스 조성, 도즈량, 주입에너지인 점을 제외하고는 상기 서술한 공통의 플라즈마 도핑조건 및 어닐조건으로 처리된 기판의 분석결과이다. 불순물 도즈량은, SIMS 분석에서의 환산 도즈량이다.
그래프 A(실시예) 혼합가스, 1.28×1015atoms/㎠, 300W
그래프 B(실시예) 혼합가스, 1.56×1015atoms/㎠, 800W
그래프 C 수소 희석, 1.24×1015atoms/㎠, 300W
그래프 D 수소 희석, 1.29×1015atoms/㎠, 800W
그래프 E 헬륨 희석, 1.13×1015atoms/㎠, 300W
그래프 F 헬륨 희석, 1.14×1015atoms/㎠, 800W
그래프 A 및 그래프 B의 혼합가스는, 유량비로 수소가스를 7%, B2H6 가스를 0.2%, 헬륨가스를 잔여의 약 93%로 하는 혼합가스이다. 그래프 C 및 그래프 D는 비교예로서, 수소가스만으로 B2H6 가스를 희석한 것이다. 그래프 E 및 그래프 F는 비교예로서, 헬륨가스만으로 B2H6 가스를 희석한 것이다. 또한, 그래프 A, C, E는 주입에너지가 낮은 경우이고(300W), 그래프 B, D, F는 주입에너지가 높은 경우이다(800W).
SIMS 분석결과는 도즈 프로파일의 급준성을 특정하기 위하여 사용된다. 여기에서는, 도즈량이 5×1019atoms/㎤이 되는 기판표면으로부터의 깊이에서부터 도즈량이 5×1018atoms/㎤이 되는 깊이까지의 깊이 차이를 급준성을 나타내는 지표로서 정의한다. 도 5에 있어서는, 5×1019atoms/㎤에서부터 5×1018atoms/㎤까지의 도즈량을 범위(G)로 나타내고 있다. 이 범위(G)에 있어서의 깊이 변화량이 급준성을 나타낸다. 수치가 작을수록 급준성이 양호한 것을 나타낸다.
따라서, 도 5에 나타내는 SIMS 분석결과로부터 얻어지는 급준성은 이하와 같다.
그래프 A(실시예, 저에너지) 1.9㎚
그래프 B(실시예, 고에너지) 2.5㎚
그래프 C(수소 희석, 저에너지) 2.7㎚
그래프 D(수소 희석, 고에너지) 3.9㎚
그래프 E(헬륨 희석, 저에너지) 1.9㎚
그래프 F(헬륨 희석, 고에너지) 3.4㎚
수소가스만으로 희석한 경우에는 급준성이 나쁘다. 수소만의 경우에 급준성이 나쁜 것은, 수소의 봄바드먼트 효과에 의한 아몰퍼스층의 두께가 극히 얇기 때문이라고 생각된다. 아몰퍼스층을 넘는 깊이까지 불순물이 도핑되게 되어, 아몰퍼스층이 확산의 스토퍼층으로서 기능하고 있지 않다. 이에 반하여 본 실시예 및 헬륨 희석의 경우에는 아몰퍼스층이 수소의 경우보다 깊어지고, 그 깊이 범위에 도핑이 들어가기 때문에, 극히 양호한 급준성을 얻을 수 있다.
또한, 고에너지의 경우에는 저에너지의 경우보다 급준성이 저하되어 있지만, 본 실시예의 급준성의 저하가 가장 작은 것도 알 수 있다. 이에 대해서도 수소에 의한 결정의 자기회복 기능이 관여하고 있다고 생각된다. 본 실시예에 의하면, 광범위한 주입에너지 범위에서 뛰어난 급준성이 실현된다.
급준성을 정의하기 위한 범위(G)는 불순물층의 두께를 나타내고 있다고도 할 수 있다. 따라서, 도 5에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에 관한 플라즈마 도핑방법은 저에너지인 경우에 약 10㎚ 이내의 두께의 불순물층을 기판에 형성하기 위하여 적합하고, 고에너지인 경우에 약 15㎚ 이내의 두께의 불순물층을 기판에 형성하기 위하여 적합하다. 본 실시예에 관한 플라즈마 도핑방법은, 처리조건을 조정함으로써, 약 30㎚ 이내의 두께의 불순물층을 기판에 형성하기 위하여 적합하다.
도 6은, 본 발명의 한 실시형태에 관한 시트저항의 측정결과를 나타내는 그래프이다. 도 6은 본 실시예에 관한 혼합가스를 사용하여 여러 장의 웨이퍼를 처리하였을 때의 시트저항값 Rs(Ω／□)의 균일성 및 재현성을 나타낸다. 1000매의 웨이퍼를 처리하였을 때의 웨이퍼 내의 균일성은 평균 2.8%(1σ)이며, 재현성은 1.8%(1σ)로 양호하였다. 본 실시예와 같이 수소를 혼입한 경우에 있어서도, 헬륨가스만으로 저농도로 희석된 원료가스를 사용하는 경우와 마찬가지로 양호한 균일성 및 재현성을 얻을 수 있다.
도 7은, 본 발명의 한 실시형태에 관한 시트저항의 측정결과를 나타내는 그래프이다. 도 4에 나타내는 측정결과와 마찬가지로, 붕소의 플라즈마 도핑 및 어닐처리를 한 시료에 대하여, 4단자 측정법에 의하여 시트저항값 Rs(Ω／□)를 측정하였다. 도면에 나타내는 플롯은, 한 장의 기판 전체면의 평균 시트저항값을 나타낸다. 도 7의 세로축은 시트저항의 측정치(Rs)이다. 도 7의 가로축은, 플라즈마 도핑을 위하여 공급되는 혼합가스의 전체 유량에 대한 수소가스의 유량비이다. 도 7에 나타내는 측정결과는, 수소가스의 미량(예컨대 1%)의 혼입에서부터 약 30%의 유량비까지의 범위와, 비교예로서 헬륨 비함유(즉 수소가스와 불순물가스만의 혼합가스, 즉 수소가스유량비 약 100%)를 시험한 것이다.
도 7의 좌측에는 B2H6 가스의 유량비를 변화시킨 경우를 나타낸다. B2H6 가스유량비는 약 0.1%에서 약 0.3%에서 범위로 변화시키고 있다. 도 7의 우측에는 바이어스 전원(38)의 출력(LF)을 135W에서 800W의 범위로 변화시켰을 경우를 나타낸다. 각 측정결과에 공통되는 플라즈마 도핑의 조건은, 플라즈마 발생을 위한 고주파전원(32)의 파워가 1500W, 처리 중의 가스압이 0.7Pa, 혼합가스의 전체 유량이 300sccm이다. 수소가스 및 B2H6 가스를 제외한 혼합가스의 잔부는 헬륨가스이다. 어닐의 조건은, 산소첨가율 1%, 설정온도 1150℃, 처리시간 30초이다.
도 7의 좌측에 나타나는 바와 같이, 수소가스유량비가 30% 정도까지의 시험범위에 있어서는, B2H6 가스유량비를 일정하다고 하면, 수소가스의 미량혼입(예컨대 1%)에서부터 크게 시트저항값은 저감되고, 추가적인 수소가스 혼입에 의하여 시트저항값은 최저레벨로 떨어지는 경향에 있는 것을 알 수 있다. 예컨대, □표시로 나타나는 B2H6 가스유량비 0.1%의 플롯은, 약 12%의 수소가스유량비에서 시트저항값이 최저레벨에 도달하고 있다. 본 시험범위에 있어서는 수소가스유량비 약 100%의 시트저항값을 향한 증가는 관찰되지 않는다. 본 시험범위를 넘는 어떤 수소가스유량비로부터 수소가스유량비 약 100%의 시트저항값을 향하여 시트저항값이 증가된다고 예측된다.
상기 서술한 바와 같이 시트저항값은, 어닐처리 후의 기판표면손상의 정도를 나타내는 지표이며, 수소가스 혼입에 의한 결정회복작용을 나타내는 지표이기도 하다. 시트저항값이 작을수록 표면손상은 작고, 결정회복작용은 크다. 따라서, 도 7에 나타내는 측정결과에 의하면, 수소가스에 의한 결정회복작용을 중시하는 경우에는, 플라즈마 도핑을 위한 수소가스유량비의 바람직한 범위는 약 30% 이하의 범위이다. 플라즈마 도핑을 위한 프로세스가스의 조성은, 전체 유량에 대한 B2H6 가스유량비가 약 0.1% 내지 약 0.3%의 범위에 있고, 또한 수소가스유량비는 그 전체 유량의 약 30% 이하인 것이 바람직하다.
또한, 시트저항값의 최저점으로의 저하 경향은, B2H6 가스유량비에 따라 어느 정도 상이한 것도 알 수 있다. B2H6 가스유량비가 클수록, 시트저항값이 최저점에 도달하는 수소가스유량비도 커지고 있다. 시트저항값을 최저점에 도달하는 값이 수소가스유량비의 최적치로 간주될 수 있다. 상기한 바와 같이, B2H6 가스유량비 0.1%의 경우에는 수소가스유량비의 최적치는 약 12%이다. 또한, B2H6 가스유량비 0.1667%의 경우에는 수소가스유량비의 최적치는 약 15%이다. B2H6 가스유량비 0.25%의 경우에는 수소가스유량비의 최적치는 약 20%이다.
따라서, 한 실시예에 있어서는, 불순물가스(예컨대 B2H6 가스)의 유량비에 따라 수소가스의 유량비가 선택되는 것이 바람직하다. 불순물가스유량비가 클수록 수소가스유량비를 크게 하는 것이 바람직하다. 이를 위하여 예컨대, 사용되는 불순물가스의 유량비 범위(예컨대 약 0.1%에서 약 0.3%의 범위)를 복수로 구분하고, 구분 별로(예컨대 0.05%의 폭의 구분 별로) 수소가스유량비가 설정되어 있어도 좋다. 이 경우, 불순물가스유량비가 큰 구분일수록, 수소가스유량비는 큰 값으로 설정된다. 이와 같이 하여, 결정회복작용을 중시하는 수소가스유량비를 선택할 수 있다. 최종적으로 제조하는 디바이스에 있어서 시트저항값(표면손상)을 작게 하는 것이 중요한 경우에 유효하다.
한편 도 7의 우측에 나타나는 바와 같이, 바이어스 전원(38)의 와트수(LF)의 차이에 따라서는, 수소가스유량비 최적치의 경향에 현저한 차이는 관찰되지 않는다. 따라서, 플라즈마 도핑을 위하여 기판에 인가하는 바이어스전압이 수소가스유량비의 최적치에 주는 영향은 없다고 생각된다.
도 8은, 본 발명의 한 실시형태에 관한 시트저항의 면내(面內) 균일성의 측정결과를 나타내는 그래프이다. 도 8에 나타내는 측정결과는, 도 7의 측정을 한 기판에 대하여 시트저항의 면내 균일성(1σ)을 평가한 것이다. 도 8의 세로축은 시트저항값(Rs)의 면내 균일성이다. 도 8의 가로축은, 플라즈마 도핑을 위하여 공급되는 혼합가스의 전체 유량에 대한 수소가스의 유량비이다. 도 7의 좌측에는 B2H6 가스의 유량비를 변화시킨 경우를 나타내고, 도 7의 우측에는 바이어스 전원(38)의 출력(LF)을 135W에서 800W의 범위로 변화시킨 경우를 나타낸다.
도 8의 좌측에 나타나는 바와 같이, 불순물가스유량비에 의하여 수소가스유량비 최적치에 현저한 경향의 차이는 관찰되지 않는다. 또한, 도 8의 우측에 나타나는 바와 같이, 바이어스 전원(38)의 와트수(LF)의 차이에 따라서도 현저한 경향의 차이는 관찰되지 않는다. 균일성에 대해서는, 불순물가스유량비 및 바이어스전압에 관계없이, 수소가스유량비의 최적치는 약 5%인 것을 알 수 있다.
균일성이 5% 이내인 경우에는, 제조되는 디바이스의 수율에 대한 영향이 실질적으로 없다는 지적 발견이 있다. 도 8에 의하면, 균일성이 5% 이내가 되는 수소가스유량비의 범위는, 약 20% 이하이다. 따라서, 처리의 균일성을 중시하는 경우에는, 플라즈마 도핑을 위한 수소가스유량비의 바람직한 범위는 약 20% 이하의 범위이다. 플라즈마 도핑을 위한 프로세스가스 전체 유량에 대한 B2H6 가스유량비가 약 0.1% 내지 약 0.3%의 범위에 있고, 또한 수소가스유량비는 그 전체 유량의 약 20% 이하인 것이 바람직하다.
또한, 도 8에 의하면, 수소가스를 미량혼입한 단계(예컨대 1%)에서 균일성은 4% 이내로 낮은 수준에 있다. 수소가스유량비가 약 10%를 넘으면, 균일성은 그 수준을 넘는다. 따라서, 플라즈마 도핑을 위한 수소가스유량비는, 보다 바람직하게는 약 10% 이하이다. 플라즈마 도핑을 위한 프로세스가스 전체 유량에 대한 B2H6 가스유량비가 약 0.1% 내지 약 0.3%의 범위에 있고, 또한 수소가스유량비는 그 전체 유량의 약 10% 이하인 것이 바람직하다.
균일성을 중시하는 경우에 더욱 바람직한 수소가스유량비의 범위는, 약 3% 이상 약 5% 이하이다. 플라즈마 도핑을 위한 프로세스가스 전체 유량에 대한 B2H6 가스유량비가 약 0.1% 내지 약 0.3%의 범위에 있고, 또한 수소가스유량비는 그 전체 유량의 약 3% 이상 약 5% 이하인 것이 바람직하다. 이렇게 하여, 균일성을 중시하는 수소가스유량비를 선택할 수 있다. 최종적으로 제조하는 디바이스에 있어서 균일성을 높이는 것이 중요한 경우에 유효하다.
수소가스는 가연성 가스이기 때문에, 신중한 취급이 요구된다. 플라즈마 도핑처리 후의 가스 폐기를 위하여, 폭발한계(예컨대 체적비로 4%)보다 저농도로 희석가스(예컨대 질소가스)로 희석되어 보관되는 것이 바람직하다. 따라서, 그러한 희석을 위한 작업부담 및 비용을 고려하면, 수소가스유량비는 작은 것이 바람직하다. 플라즈마 도핑을 위한 수소가스유량비가 폭발한계(예컨대 체적비로 4%) 이하인 경우에는, 플라즈마 도핑처리 후의 가스 폐기시에 추가적인 희석을 요하지 않는다. 따라서, 가스의 취급을 용이하게 하기 위해서는, 플라즈마 도핑을 위한 수소가스유량비는 4% 이하로 하는 것이 바람직하다.
도 9는, 본 발명의 한 실시형태에 관한 시트저항의 측정결과를 나타내는 그래프이다. 도 9는, 도 7과는 달리, PH3 가스를 사용하는 인의 플라즈마 도핑에 대한 측정결과를 나타낸다. 수소가스유량비의 시험범위는 약 15%까지이다. 기타의 처리조건에 대해서는 도 7과 마찬가지이다. 도 9의 상측에는 바이어스 출력(LF)을 500W로 한 경우를 나타내고, 도 9의 하측에는 바이어스 출력(LF)을 800W로 한 경우를 나타낸다. 각각에 대하여 PH3 가스의 유량비를 0.1%로 한 경우와 0.3%로 한 경우가 나타나 있다.
마찬가지로 고찰하면, 도 9에 의하면, 수소가스에 의한 결정회복작용을 중시하는 경우에는, 플라즈마 도핑을 위한 수소가스유량비의 바람직한 범위는 예컨대 약 10% 이하의 범위이다. 플라즈마 도핑을 위한 프로세스가스 전체 유량에 대한 PH3 가스유량비가 약 0.1% 내지 약 0.3%의 범위에 있고, 또한 수소가스유량비는 그 전체 유량의 약 10% 이하인 것이 바람직하다.
붕소의 경우와 마찬가지로 인의 경우에 있어서도, 불순물가스유량비가 클수록, 시트저항값이 최저레벨에 도달하는 수소가스유량비는 커지고 있다. PH3 가스유량비 0.1%의 경우에는 수소가스유량비의 최적치는 약 4%이다. PH3 가스유량비 0.3%의 경우에는 수소가스유량비의 최적치는 약 7%이다. 이러한 경향은, 비소에 대해서도 공통된다고 예측된다.
도 10은, 본 발명의 한 실시형태에 관한 시트저항의 면내 균일성의 측정결과를 나타내는 그래프이다. 도 10에 나타내는 측정결과는, 도 9의 측정을 한 기판에 대하여 시트저항의 면내 균일성(1σ)을 평가한 것이다. 불순물가스유량비 및 바이어스전압에 관계없이, 도 8에 나타내는 붕소의 경우와 마찬가지로, 균일성을 중시하는 경우의 수소가스유량비의 최적치는 약 5%인 것을 알 수 있다. 균일성을 중시하는 경우의 수소가스유량비의 최적치는, 주입하는 불순물원소에 의존하지 않는다고 생각된다. 따라서, 균일성을 중시하는 경우의 수소가스유량비의 바람직한 범위는, 붕소와 인에서 공통이다. 예컨대, 플라즈마 도핑을 위한 프로세스가스 전체 유량에 대한 PH3 가스유량비가 약 0.1% 내지 약 0.3%의 범위에 있고, 또한 수소가스유량비는 그 전체 유량의 약 3% 이상 약 5% 이하인 것이 바람직하다. 비소에 대해서도 수소가스유량비의 바람직한 범위는 공통이라고 예측된다.
10 플라즈마 도핑장치
12 챔버
14 기체공급부
16 플라즈마원(源)

Claims (6)

  1. 반도체기판에 불순물을 첨가하기 위한 플라즈마 도핑장치로서,
    챔버와,
    상기 챔버에 기체를 공급하기 위한 기체공급부와,
    공급된 기체의 플라즈마를 상기 챔버에 발생시키기 위한 플라즈마원
    을 구비하고,
    상기 기체공급부는, 기판에 첨가되어야 할 불순물원소를 포함한 원료가스와, 수소가스와, 상기 원료가스를 희석하기 위한 희석가스를 포함한 혼합가스가 상기 챔버에 공급되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합가스는, 저농도로 희석된 상기 원료가스와, 상기 원료가스보다 고농도인 상기 수소가스를 포함하고, 잔부가 실질적으로 상기 희석가스인 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 희석가스는 헬륨가스이고, 상기 헬륨가스는 상기 수소가스보다 고농도인 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수소가스의 상기 혼합가스에 대한 유량비가 20% 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수소가스의 상기 혼합가스에 대한 유량비가 3% 내지 5%인 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑장치.
  6. 불순물원소를 가지는 원료가스를 포함한 혼합가스를 진공환경에 공급하고, 상기 혼합가스의 플라즈마를 발생시켜서, 상기 진공환경에서 기판에 상기 플라즈마를 조사하여 상기 불순물원소를 주입하는 플라즈마 도핑방법으로서,
    상기 플라즈마에 수소를 혼입시킴으로써, 상기 플라즈마의 조사(照射)에 의하여 발생된 기판표면의 아몰퍼스층의 밀도의 편재를 경감시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 도핑방법.
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