KR20120109356A - 이온 주입 방법 - Google Patents

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닛신 이온기기 가부시기가이샤
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Abstract

본 발명은, C4Hx + 이온, C5Hx + 이온 또는 C6Hx + 이온(x는 1 이상의 정수)을 생성하고, 웨이퍼에 대하여 효율적으로 이온 주입하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 이온 주입 방법에서는, CnHx(n은 4≤n≤6의 정수, x는 1≤x≤2n＋2의 정수)로 표시되는 이온 생성용 원료를 사용하여 CmHy + 이온(m은 4≤m≤6의 정수, y는 1≤y≤2m＋2의 정수)을 생성한다. 그 후, 생성된 이온을 웨이퍼에 주입한다.

Description

이온 주입 방법{ION IMPLANTATION METHOD}
본 발명은 웨이퍼에 비정질층을 생성하기 위하여 카본의 분자 이온을 이온 주입하는 수법에 관한 것이다.
반도체 소자의 미세화가 진행되어, 웨이퍼면 상으로부터 매우 얕은 영역으로의 이온 주입이 요구되고 있다. 이러한 영역으로의 이온 주입을 행하기 위하여, 웨이퍼에 분자 이온을 이온 주입하여 웨이퍼면의 소정 영역을 비정질화하는 기술이 주목되고 있다. 또한, 이온 주입 후의 어닐링 공정에 있어서, 비정질층의 하측에 생기는 결정 결함을 적게 할 수 있다는 우위성 때문에, 카본의 분자 이온을 이온 주입하는 연구가 진행되고 있다.
이러한 카본의 분자 이온을 이온 주입하는 기술이 특허문헌 1에 개시되어 있다. 보다 구체적으로는, 이 특허문헌 1에는 카본의 분자 이온의 원료로서 C16H20이나 C18H14를 사용하여 C16Hx + 이온이나 C18Hx + 이온(x는 1 이상의 정수)을 웨이퍼에 이온 주입하는 기술이나 카본의 분자 이온의 원료로서 C14H14를 사용하여 C7H7 + 이온, C3Hx + 이온 또는 C4Hx + 이온 등(x는 1 이상의 정수)을 웨이퍼에 이온 주입하는 기술이 개시되어 있다.
특허문헌 1 일본 특허 공개 2009-518869(단락 0022?0024, 0045?0046, 도 1, 도 2, 도 8)
카본의 분자 이온을 사용하여 비정질층을 만드는 경우, 이온 빔을 조사하는 에너지에 따라서도 달라지지만, 질량수가 큰 이온을 사용하여 작성되는 비정질층의 두께는 작다. 현재의 반도체 소자의 제조 프로세스에서는 비정질층의 두께를 약 60 ㎚ 이상의 두께로 하는 것이 요구되고 있다. 그래서, 최근에는 이러한 두께를 갖는 비정질층을 생성하기 위하여 C4Hx + 이온, C5Hx + 이온 또는 C6Hx + 이온(x는 1 이상의 정수)을 웨이퍼에 이온 주입하는 기술이 주목되고 있다.
그러나, 특허문헌 1에 개시된 기술을 사용하여, C4Hx + 이온, C5Hx + 이온 또는 C6Hx + 이온을 생성하고, 이들의 이온을 웨이퍼에 이온 주입하는 수법은 매우 비효율적이였다. 이것에 대해서 이하에 설명한다.
특허문헌 1에 개시된 기술에서는, 단락 0045에 기재된 바와 같이, C14H14를 사용하여 C4Hx + 이온, C5Hx + 이온 또는 C6Hx + 이온을 생성하게 된다. C14H14는 고체 재료이며, 비점은 284℃로 높다. 그 때문에, 이것을 기화시키기 위해서 고온에 대응한 가열기가 필요하게 된다.
또한, 특허문헌 1의 도 8에 기재된 이온 빔의 질량 스펙트럼을 보면 알 수 있듯이, C14H14로부터 생성되는 C4Hx + 이온, C5Hx + 이온 또는 C6Hx + 이온의 비율은 전체에 대하여 매우 작다. 그 때문에, 웨이퍼에 C4Hx + 이온, C5Hx + 이온 또는 C6Hx + 이온을 다량으로 이온 주입하는 경우, 이온 주입 처리에 장시간이 필요하게 되버린다.
따라서, 본 발명에서는 C4Hx + 이온, C5Hx + 이온 또는 C6Hx + 이온(x는 1 이상의 정수)을 생성하여, 웨이퍼에 대하여 효율적으로 이온 주입하는 수법을 제공한다.
본 발명의 이온 주입 방법은, CnHx(n은 4≤n≤6의 정수, x는 1≤x≤2n＋2의 정수)로 표시되는 이온 생성용 원료를 사용하여, CmHy +(m은 4≤m≤6의 정수, y는 1≤y≤2m＋2의 정수) 이온을 생성하고, 웨이퍼에 상기 이온을 주입하는 것을 특징으로 한다.
보다 바람직하게는, 상기 이온 생성용 원료는 C4Hu(u는 1≤u≤10의 정수), C5Hv(v는 1≤v≤10의 정수) 또는 C6Hw(w는 1≤w≤10의 정수)의 질량 스펙트럼에서의 상대 존재량의 피크가 20% 이상인 것이 바람직하다.
보다 구체적으로는, 상기 이온 생성용 원료가 C6H12이다.
한편, 상기 이온 생성용 원료가 C5H8이어도 좋다.
게다가, 상기 이온 생성용 원료가, C4H6이어도 좋다.
이러한 이온 주입 방법을 사용하면, C4Hx + 이온, C5Hx + 이온 또는 C6Hx + 이온(x는 1 이상의 정수)을 효율적으로 웨이퍼에 주입할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 이온 주입 장치의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 2는 도 1에 기재된 이온원 챔버 내에서 이온이 생성되는 구조를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 C6H12의 질량 스펙트럼이다.
도 4는 C5H8의 질량 스펙트럼이다.
도 5는 C4H6의 질량 스펙트럼이다.
도 6은 C14H14의 질량 스펙트럼이다.
도 1에는 본 발명이 적용되는 이온 주입 장치(IM)의 일례가 기재되어 있다. 도 1에 있어서 이온 빔의 진행 방향을 Z 방향, 웨이퍼에 조사되는 이온 빔의 장변 방향을 X 방향으로 하고, 양방향에 직교하는 방향을 Y 방향으로 하고 있다. 또한, 도시된 X, Y, Z의 각 축은, 처리실 내에서의 이온 빔의 진행 방향 등에 대응하고 있어, 이온 빔이 빔 경로를 진행하는 과정에서 이들 X, Y, Z의 각 축은 적절하게 변경된다.
이온원(1)을 구성하는 이온원 챔버(4)에서 생성된 이온은 인출 전극계(5)에 의해서, 이온원 챔버(4)로부터 소정의 에너지를 갖는 이온 빔(3)으로서 인출된다. 이 인출 전극계(5)는 종래의 이온 주입 장치에서 잘 알려진 바와 같이 인출 전극, 억제 전극, 접지 전극으로 이루어지는 3장의 전극으로 구성되어 있다.
인출 전극계(5)를 통과한 이온 빔(3)에는, 웨이퍼(2)(예컨대, 실리콘 웨이퍼)에 주입되는 원하는 이온 이외의 이온을 포함하고 있다. 상기 이온 빔(3)으로부터 원하는 이온을 추출하기 위해서, 질량 분석 전자석(6)과 분석 슬릿(7)에 의해 질량 분석이 행해진다. 이온 빔(3)에 포함되는 다수의 이온은, 각각 질량수가 다르기 때문에, 질량 분석 전자석(6)으로 만들어지는 자장에 의해서 질량 분석 전자석(6)을 통과한 후의 빔 경로에 차이가 생긴다. 그 때문에, 질량 분석 전자석(6)에서는, 원하는 이온만이 분석 슬릿(7)을 통과할 수 있도록 자장의 조정이 행해지고 있다. 또한, 도 1에서는 도시를 간략화하기 위해서 원하는 이온 이외의 빔 경로에 대해서는 도시를 생략하고 있다.
분석 슬릿(7)을 통과한 이온 빔(3)은, 사중극 렌즈(8)에 의해서 그 형상이 정형되며, 그 후, 주사기(走査器)(9)에 의해 한쪽 방향으로 긴 리본형의 이온 빔(3)이 되도록 주사된다. 이 예에서는, 주사기로서 전자석을 상정하고 있지만, 종래부터 알려진 바와 같이 정전판을 사용하여 전장에 의해서 이온 빔(3)을 주사하도록 해도 좋다. 마지막으로, 전자석을 포함하는 평행화기(10)에 의해 이온 빔(3)의 외형이 평행이 되도록 정형되고, 처리실(11) 내에 배치된 웨이퍼(2)에 이온 빔(3)이 조사된다.
처리실(11) 내에 배치된 웨이퍼(2)는, 예컨대, 정전척을 구비한 플라텐에 의해 지지되어 있다. 그리고, 이 플라텐이 Y 방향을 따라서 도시되지 않는 구동 기구에 의해서 이온 빔(3)을 가로지르도록 왕복 반송됨으로써 웨이퍼(2)로의 이온 주입 처리가 달성된다. 또, 도 1에 도시된 바와 같이 주사기(9), 평행화기(10)를 통과한 이온 빔(3)의 X 방향에서의 치수는 처리실(11) 내에 배치된 웨이퍼(2)보다도 길다.
도 1에 기재된 이온원 챔버(4) 내에서는, 일례로서, 다음과 같이 하여 이온의 생성이 행해지고 있다. 이것에 대해서 도 2를 기초로 설명한다.
이온원 챔버(4)에는 이온원 챔버(4) 내에 이온 생성용 가스를 도입하기 위한 가스 도입로(17)가 연결되어 있다. 이 가스 도입로(17)는 질량 유량 조절기(mass flow controller, 18)를 통해 제1 가스 공급원(13), 제2 가스 공급원(14), 제3 가스 공급원(15)에 연결되어 있고, 밸브(16)의 개폐에 의해서 각 가스 공급원으로부터의 가스가 독립적으로 이온원 챔버(4) 내에 도입되도록 구성되어 있다.
이 예에서는, C4Hx + 이온, C5Hx + 이온, C6Hx + 이온(x는 1 이상의 정수)을 생성하기 위한 원료로서, 제1 가스 공급원(13)에는 C6H12(시클로헥산)가, 제2 가스 공급원(14)에는 C5H8(시클로펜텐)이, 제3 가스 공급원(15)에는 C4H6(부타디엔)가 봉입되어 있다. 이들의 원료는, 공업용으로서 일반적으로 시판되고 있고, 가격면에서도 특허문헌 1에서 사용되었던 C14H14(디벤질)보다도 염가이다. 또한, C14H14(디벤질)보다도 효율적으로 C4Hx + 이온, C5Hx + 이온 또는 C6Hx + 이온(x는 1 이상의 정수)을 생성할 수 있다.
도 3 내지 도 6에는, 각 원료의 질량 스펙트럼을 들 수 있다. 도 6에 예로 든 C14H14(디벤질)의 질량 스펙트럼을 보면, C5Hx(x는 1 이상의 정수)의 상대 존재량의 피크는 20%를 약간 하회하는 정도이지만, C4Hx(x는 1 이상의 정수)나 C6Hx(x는 1 이상의 정수)가 되면, 상대 존재량비의 피크는 10%에도 못 미친다. 이것에 대하여 도 3에 예로 든 C6H12(시클로헥산)에서는 C4Hx(x는 1 이상의 정수)의 상대 존재량의 피크는 100%이며, C5Hx(x는 1 이상의 정수)의 상대 존재량비의 피크는 약 30%, C6Hx(x는 1 이상의 정수)의 상대 존재량비의 피크는 80%를 상회하고 있다. 또한, 도 4에 예로 든 C5H8(시클로펜탄)의 질량 스펙트럼을 보면, C4Hx(x는 1 이상의 정수)의 상대 존재량의 피크는 20%를 상회하고, C5Hx(x는 1 이상의 정수)의 상대 존재량의 피크는 100%이다. 그리고, 도 5에 예로 든 C4H6(부타디엔)에서는, C4Hx(x는 1 이상의 정수)의 상대 존재량의 피크는 90%를 상회하고 있다.
상기한 비교로부터 이해할 수 있듯이, C6H12(시클로헥산), C5H8(시클로펜텐), C4H6(부타디엔)과 같은 원료를 사용함으로써 특허문헌 1에 예로 든 C14H14(디벤질)에 비하여, C4Hx + 이온, C5Hx + 이온 또는 C6Hx + 이온(x는 1 이상의 정수)의 생성 효율을 각별히 향상시키는 것이 가능해진다.
다시 도 2로 되돌아가 설명을 계속하면, 제1 가스 공급원(13)과 제2 가스 공급원(14)에는 가열기(20)가 구비되어 있다. C6H12(시클로헥산), C5H8(시클로펜텐)은 상온에서는 액체이고, 이온원 챔버(4) 내에 가스 도입로(17)를 통해 이들의 원료를 도입하기 위해서는 기화시킬 필요가 있다. 그 때문에, 가열기(20)에 의한 가열이 필요하게 된다.
그러나, 이들의 액체 원료를 가열하는 온도는 특허문헌 1에서 예로 든 C14H14(디벤질)을 가열하는 온도와 비교하면 저온에서 해결된다. 이 이유는, C6H12(시클로헥산)의 비점은 약 81℃이고, C5H8(시클로펜텐)의 비점이 약 44℃이기 때문이다.
그 때문에, C14H14(디벤질)을 가열하여 기화시키는 고온에 대응한 가열기를 사용할 필요가 없다. 이 점에서도, C6H12(시클로헥산)이나 C5H8(시클로펜텐)을 이온 생성용 원료로서 사용하는 메리트가 있다.
한편, 제3 가스 공급원(15)에 봉입되어 있는 C4H6(부타디엔)은 상온에서 기체이기 때문에, 제3 가스 공급원(15)은 제1 가스 공급원(13)이나 제2 가스 공급원(14)에 설치된 가열기(20)를 구비하고 있지 않다.
제1 내지 제3 가스 공급원(13?15) 중 어느 것으로부터 이온원 챔버(4) 내에 도입된 가스에 대하여, 이온원 챔버(4)의 외측에 설치된 전자총(12)으로부터 전자(e)가 공급된다. 이 종류의 전자총(12)에 대해서는, 특허문헌 1이 인용하는 종래 문헌(미국 특허 공보 6686595)에도 개시되어 있는 기술이기 때문에, 자세한 설명은 생략한다. 간단히 설명하면, 이 전자총(12)에는, 전자(e)를 발생시키기 위한 필라멘트와 필라멘트로부터 발생한 전자(e)를 소정의 에너지를 갖는 전자(e)로 변환하여, 이 전자(e)를 이온원 챔버(4) 내로 인출하기 위한 전극이 구비되어 있다. 그리고, 이온원 챔버(4)의 외측에는 빔 덤프(21)가 배치되어 있고, 도시되지 않는 전원에 의해 공급된 빔 덤프(21)의 전위가 이온원 챔버(4)보다도 높은 경우, 전극으로부터 인출된 전자(e)는 빔 덤프(21)에 충돌하여 소멸된다. 반대로, 빔 덤프(21)의 전위가 이온원 챔버(4)보다도 낮은 경우, 전극에 의해 인출된 전자(e)는 빔 덤프(21)에서 반사된다.
이온원 챔버(4)의 외측에는 이온원 챔버(4)를 사이에 두도록 하여, 도시되지 않은 한 쌍의 영구 자석이 배치되어 있다. 이 영구 자석에 의해서 이온원 챔버(4) 내에 도시된 화살표 B로 나타내는 방향의 자계가 생성된다.
전자총(12)으로부터 이온원 챔버(4) 내에 도입된 전자(e)는, 이온원 챔버(4) 내의 자계를 따라서 이동하여 이온원 챔버(4) 내에 도입된 가스에 충돌한다. 이 충돌에 의해서 가스가 전리되어 이온의 생성이 행해진다. 그 후, 여기서 생성된 이온은, 도 1에 나타낸 인출 전극계(5)를 구성하는 인출 전극에 의해서, 이온원 챔버(4)의 이온 빔 인출구(19)로부터 이온 빔(3)으로서 인출된다. 이 단계에서 발생한 이온 빔(3)에 포함되는 이온에 대해서 간단히 설명하면, 예컨대, C6H12(시클로헥산)를 원료로서 사용한 경우에는, 앞에서 설명한 공정을 거쳐서 인출되는 이온 빔(3) 안에는, C3H5 +, C4H7 +, C4H8 +, C5H9 +, C6H11 +와 같은 이온이 포함되게 된다.
<기타 변형예>
도 2의 설명에서는 이온원 챔버(4)의 외측에 영구 자석을 배치하는 구성에 대하여 설명했지만, 이온원 챔버(4)의 용적이 작은 경우, 이러한 영구 자석이 없어도 전자(e)는 이온원 챔버(4) 내에 도달하기 때문에 이 영구 자석은 특별히 설치해 둘 필요는 없다.
또한, 도 2의 설명에서는, 전자총(12)에 의해서 이온원 챔버(4) 내에 전자(e)를 도입하는 방식에 대해서 설명했지만, 이것 대신에, 버나스형 이온원(Bernas-type ion source)으로서 종래부터 알려져 있는 바와 같이, 이온원 챔버(4)의 단부에 필라멘트를 배치하여 상기 필라멘트를 가열함으로써 전자를 방출하는 방식을 채용해도 좋다. 한편, 버나스형 이온원 대신에 방열형 이온원을 사용하도록 해도 좋다.
또한, 도 2의 설명에서는 이온원 챔버(4)로의 가스 도입구를 1개로 하고 있지만 이것에 한정되지 않는다. 예컨대, 이온원 챔버(4)로의 가스 도입구를 3개로 해 두고, 각 가스 공급원으로부터의 가스가 개별 경로를 통해 이온원 챔버(4) 내에 도입되도록 구성해 두어도 좋다. 이 경우, 각 가스 공급원으로부터 공급되는 가스의 유량을 개별로 조정할 수 있도록, 각 가스 공급원에 개별로 대응한 질량 유량 조절기(18)를 설치해 두는 것을 생각할 수 있다. 한편, 가스 공급원을 3개 설치할 필요는 없으며, 가스 공급원의 수는 하나 이상이면 좋다.
지금까지의 실시형태에서는, 이온 생성용 원료로 C6H12(시클로헥산), C5H8(시클로펜텐), C4H6(부타디엔)을 사용하는 예를 나타냈지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예컨대, 원료로는 CnHx(n은 4≤n≤6의 정수, x는 1≤x≤2n＋2의 정수)를 사용하여 CmHy + 이온(m은 4≤m≤6의 정수, y는 1≤y≤2m＋2의 정수)을 생성하도록 해도 좋다. 또한, 여기서 예로 든 n과 m은 동일한 값이어도 다른 값이어도 상관없다. 또한, x와 y에 대해서도 마찬가지로, 동일한 값이어도 다른 값이어도 상관없다.
또한, 이 경우, 질량 스펙트럼으로 C4Hx, C5Hx 또는 C6Hx(x는 1 이상의 정수)의 상대 존재량의 비율이 20% 이상인 원료를 선택하는 것을 생각할 수 있다. 이러한 것이라면, 특허문헌 1에 예로 든 C14H14(디벤질)을 사용하는 것보다도 효율적으로 C4Hx + 이온, C5Hx + 이온 또는 C6Hx + 이온(x는 1 이상의 정수)을 생성할 수 있게 된다.
전술한 것 이외에, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 각종 개량 및 변경을 행해도 물론 좋다.
1: 이온원
2: 웨이퍼
3: 이온 빔
4: 이온원 챔버
5: 인출 전극계
12: 전자총
13: 제1 가스 공급원
14: 제2 가스 공급원
15: 제3 가스 공급원

Claims (5)

  1. CnHx(n은 4≤n≤6의 정수, x는 1≤x≤2n＋2의 정수)로 표시되는 이온 생성용 원료를 사용하여, CmHy + 이온(m은 4≤m≤6의 정수, y는 1≤y≤2m＋2의 정수)을 생성하고, 웨이퍼에 상기 이온을 주입하는 이온 주입 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이온 생성용 원료는 C4Hu(u는 1≤u≤10의 정수), C5Hv(v는 1≤v≤10의 정수) 또는 C6Hw(w는 1≤w≤10의 정수)의 질량 스펙트럼에서의 상대 존재량의 피크가 20% 이상인 것을 특징으로 하는 이온 주입 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이온 생성용 원료가 C6H12인 것을 특징으로 하는 이온 주입 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이온 생성용 원료가 C5H8인 것을 특징으로 하는 이온 주입 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이온 생성용 원료가 C4H6인 것을 특징으로 하는 이온 주입 방법.
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