KR20140012727A - 컨포멀한 도핑을 위한 방법들 및 장치 - Google Patents

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카르틱 산타남
마틴 에이. 힐케네
마노즈 벨라이칼
마크 알. 리
매튜 디. 스코트니-캐슬
페터 아이. 포르쉬네브
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

본원에서는 기판을 프로세싱하기 위한 방법들 및 장치가 제공된다. 일부 실시예들에서, 기판을 도핑하는 방법은, 플라즈마 도핑 프로세스를 이용하여 기판의 도펀트 영역 내로 하나 또는 둘 이상의 도펀트 원소(dopant element)들을 주입함으로써 기판 상에 도펀트 영역을 형성하는 단계; 도펀트 영역 상에 캡 층(cap layer)을 형성하는 단계; 캡 층을 형성한 후, 도펀트 영역을 어닐링하는 단계; 및 도펀트 영역을 어닐링한 후, 캡 층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

컨포멀한 도핑을 위한 방법들 및 장치{METHODS AND APPARATUS FOR CONFORMAL DOPING}
본 발명의 실시예들은 일반적으로 반도체 제조에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 기판들을 도핑하기 위한 방법들에 관한 것이다.
컨포멀한 FINFET, 컨포멀한 DRAM 및 컨포멀한 플래시 도핑 응용(application)을 목적으로 하는 N-타입 주입 프로세스들에 대해 이용되는 전형적인 도펀트들은 비소(arsenic) 및 인(phosphorus)을 포함한다. 통상적으로, 이온 빔 주입 프로세스는 기판들을 도핑(dope)하는 데에 이용되며, 빔라인 프로세스(beamline process)라 지칭된다. 이러한 빔라인 프로세스에서, 기판 상에 형성되는 피쳐(feature)들의 측벽 표면들이 만족스럽게 주입되도록 보장하기 위해서는, 다양한 기판 경사 조합(tilt combination)들이 이용될 필요가 있다. 하지만, 기판의 높은 경사 각도들에서, 근접하게 패킹된(closely packed) 구조들의 측벽들은 이온 빔에 완전히 노출되지 않을 수 있으며, 이에 의해 도펀트 재료의 비 균일한 분포를 바람직하지 않게 이끌게 된다. 이것은 섀도잉 효과(shadowing effect)로서 알려져있다.
따라서, 본 발명자들은 개선된 컨포멀한 도핑 방법들을 제공한다.
본원에서는 기판들의 컨포멀한 도핑을 위한 방법들 및 장치가 제공된다. 일부 실시예들에서, 본 발명의 방법들은 유익하게는 도펀트 손실을 제한하고 강화된 도펀트 확산을 달성할 수 있다. 본원에서는 기판을 프로세싱하기 위한 방법들 및 장치가 제공된다. 일부 실시예들에서, 기판을 도핑하는 방법은, 플라즈마 도핑 프로세스를 이용하여 기판의 도펀트 영역 내로 하나 또는 둘 이상의 도펀트 원소(dopant element)들을 주입함으로써 기판 상에 도펀트 영역을 형성하는 단계; 도펀트 영역 상에 캡 층(cap layer)을 형성하는 단계; 캡 층을 형성한 후, 도펀트 영역을 어닐링하는 단계; 및 도펀트 영역을 어닐링한 후, 캡 층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 기판을 도핑하는 방법은, 플라즈마 도핑 프로세스로 기판의 도펀트 영역 내로 하나 또는 둘 이상의 도펀트 원소들을 주입함으로써 기판 상에 도펀트 영역을 형성하는 단계; 도펀트 영역 상에 캡 층을 형성하는 단계; 캡 층의 두께를 감소시키는 단계; 캡 층의 두께를 감소시킨 후, 도펀트 영역을 어닐링하는 단계; 및 도펀트 영역을 어닐링한 후, 도펀트 영역의 상부로부터 캡 층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 및 추가의 실시예들이 하기에서 설명된다.
앞서 간략히 요약되고 하기에서 보다 상세히 설명되는 본 발명의 실시예들은 첨부된 도면들에 도시된 본 발명의 예시적인 실시예들을 참조하여 이해될 수 있다. 그러나, 첨부된 도면들은 본 발명의 단지 전형적인 실시예들을 도시하는 것이므로 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다는 것이 주목되어야 하는데, 이는 본 발명이 다른 균등하게 유효한 실시예들을 허용할 수 있기 때문이다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 도펀트 손실을 제한하고 강화된 도펀트 확산을 달성하는 방법의 흐름도이다.
도 2a-2c는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 프로세싱의 상이한 스테이지들 동안 기판의 예시적인 단면도들을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 플라즈마 액침(immersion) 이온 주입 프로세스 챔버를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 본 발명의 일부분들을 수행하는 데에 적합한 클러스터 툴을 도시한다.
이해를 용이하게 하기 위하여, 도면들에서 공통되는 동일한 요소들을 표시하기 위해 가능한 한 동일한 참조번호들이 사용되었다. 도면들은 일정한 비율로 도시된 것은 아니며, 명료함을 위해 단순화될 수 있다. 일 실시예의 요소들 및 특징들은 추가의 언급없이 다른 실시예들에 유리하게 통합될 수 있음이 고려된다.
본 발명의 실시예들은 기판들을 도핑하기 위한 개선된 방법들을 제공한다. 본 발명의 실시예들은 유익하게는 도펀트 손실을 제한할 수 있고, 강화된 도펀트 확산을 달성할 수 있다. 본 발명의 실시예들이 이용될 수 있는 응용들의 예시적이지만 비-제한적인 예들로는, 로직(logic), DRAM, 플래시, 및 FINFET 구조들 및 디바이스들의 제조가 포함된다. 개선된 컨포멀한 도핑 프로세스를 위한 목표 분야(target area)들의 예시적이지만 비-제한적인 예들로는, 폴리실리콘, USJ(ultra shallow junction), 소스 드레인 영역들, 및 실리콘 딥 트렌치(deep trench) 영역들이 포함될 수 있다.
본 발명자들은, 플라즈마 도핑 기술이 단순성 및 높은 생산성으로 인해 전형적인 빔라인 이온 주입에 대한 매력적인 대안이라는 것을 관찰하였다. 하지만, 본 발명자들은, 플라즈마 도핑된 기판들은 도펀트들의 매우 높은 표면 농도를 갖는 경향이 있다는 것을 관찰하였다. 결과적으로, 본 발명자들은, 예를 들어, 연장된 시간들 동안 높은 온도들에 노출되는 동안, 포스트 도핑(post doping) 프로세싱에서 도펀트들이 손실될 수 있는 것으로 믿고 있다. 도펀트 손실은, 도핑과 후속 프로세스들(이를 테면, 어닐링 프로세스) 간의 지연 시간, 어닐링 온도 및 주변의 대기(ambient atmosphere)를 포함하는 많은 요인들에 의존할 수 있다. 또한, 본 발명자들은, 비소(As) 또는 인(P) 함유 표면 막은, 상기 논의된 도펀트 손실 문제와 결합되는 이러한 원소들의 높은 유독성(toxicity)으로 인해 안전상 위험하다고(safety hazard) 믿고 있다. 예를 들어, 대기에 노출되는 비소 주입된 기판들은 가스를 방출하고(out-gas) 그리고 아르신(AsH3)을 릴리싱(relasing)하게 될 것인데, 이러한 아르신은 50 ppb(parts per billion) 미만의 허용한계값(threshold limit value, TLV)을 갖는다.
본 발명자들은 또한, 도핑된 기판들 상에서 어닐링 프로세스가 수행된 후, 가스 방출의 위험이 제거되며(또는 크게 제한됨), 이에 따라 비소 및 인 도핑된 기판들을 취급하기에 더 안전하게 하는 것을 관찰하였다. 또한, 본 발명자들은, 어닐링된 기판들은, 대기에 노출될 때, 도펀트를 손실하지 않는 다는 것을 관찰하였다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 기판을 도핑하기 위한 방법(100)을 도시한다. 도 2a-2c는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 도 1에 도시된 본 발명의 방법(100)의 상이한 스테이지들 동안 기판의 단면도들을 도시한다.
방법(100)은 일반적으로 102에서 시작되며, 여기에서는 도 2a에 도시된 바와 같이, 도펀트 영역(202)이 기판(200) 상에 형성된다. 도펀트 영역(202)은, 이를 테면 플라즈마 지원 주입 프로세스(plasma assisted implantation process)와 같은 주입 프로세스로 기판(200) 내에 하나 또는 둘 이상의 도펀트들을 주입함으로써 형성될 수 있다. 대안적으로 또는 조합하여, 도핑 프로세스는 또한 기판(200)의 표면 상에 도펀트 전구체를 증착함으로써 수행될 수 있다. 어느 프로세스이든, 이를 테면 플라즈마 지원 도핑 챔버와 같은 임의의 적합한 도핑 챔버(예를 들어, 제 1 프로세스 챔버)에서 수행될 수 있다. 적합한 도핑 챔버들의 예들로는, 제한되는 것은 아니지만, 캘리포니아 산타클라라에 소재하는 어플라이드 머티어리얼스 인코포레이티드(Applied Materials, Inc.)로부터 상업적으로 입수가능한 CONFORMATM 리액터를 포함하는 플라즈마 이온 액침 주입 리액터가 포함된다. 그러한 하나의 적합한 프로세스 챔버가 도 3와 관련하여 하기에서 설명된다. 비록 본원에서는 본 발명의 실시예들을 예시하기 위해 특정 프로세스 챔버들이 제공될 수 있지만, 다른 제조업자들로부터의 프로세스 챔버들을 포함하여, 다른 적합한 프로세스 챔버들이 또한 이용될 수 있음이 고려된다.
기판(200)은 반도체 디바이스들의 제조에 이용되는 임의의 적합한 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 기판은, 반도체 구조들 및/또는 디바이스들을 형성하기 위한, 반도체 재료 및/또는 반도체 재료들과 비-반도체(non-semiconductive) 재료들의 조합들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판은, 이를 테면 결정 실리콘(예를 들어, Si<100> 또는 Si<111>), 실리콘 산화물, 스트레인드 실리콘(strained silicon), 폴리실리콘, 실리콘 웨이퍼들, 유리, 사파이어 등과 같은 하나 또는 둘 이상의 실리콘-함유 재료들을 포함할 수 있다. 기판은 또한, 이를 테면 200 또는 300mm 웨이퍼, 정방형 또는 직사각형 패널(panel)들 등과 같은 임의의 희망하는 기하형상(geometry)을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판(200)은 반도체 웨이퍼(예를 들어, 200mm, 300mm 등의 실리콘 웨이퍼)일 수 있다.
일부 실시예들에서, 기판은 도핑되지 않을 수 있거나, 또는 이후 도핑될 비도핑 영역들(undoped regions)을 포함할 수 있다. 본원에서 이용되는 바와 같이, "비도핑(undoped)"은 내부에 포함된 n-타입 또는 p-타입 도펀트를 갖지 않음을 의미한다. 대안적으로, 일부 실시예들에서, 기판은 도핑될 수 있으며, 기판 또는 기판의 일부분들의 추가의 도핑이 수행된다. 기판(200)은 하나 또는 둘 이상의 층들을 포함할 수 있으며, 그리고 일부 실시예들에서, 기판(200)은 기판 내에 또는 기판 상에 배치(dispose)되는 완료된 또는 부분적으로 완료된 전자 디바이스들을 더 포함할 수 있다.
기판을 도핑할 때, 기판의 전체 표면이 도핑될 수 있거나, 또는 기판의 선택된 영역들이 도핑되어야 하는 경우에는, 도핑되지 않아야 하는 기판의 영역들을 보호하기 위해, 이를 테면 패터닝된 포토레지스트 층과 같은 패터닝된 마스크 층이 기판 상에 증착될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서는, 기판(200)의 일부분들 상에만 도펀트 영역(202)이 형성되도록, 이를 테면 포토레지스트의 층과 같은 마스킹 층이 제공되고 패터닝될 수 있다.
주입될 하나 또는 둘 이상의 도펀트들은, 전형적으로 반도체 도핑 프로세스들에서 이용되는 임의의 적합한 원소 또는 원소들을 포함할 수 있다. 적합한 도펀트들의 예들은, 비 한정적인 예로, 비소(As), 붕소(B), 인듐(In), 인(P), 안티몬(antimony) 등과 같은, 3족 원소들 또는 5족 원소들 중에서 하나 또는 둘 이상을 포함한다. n-타입 도펀트들의 예들은 인, 비소 등 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 아르신(AsH3), 디-아세닉 플루오라이드(di-arsenic fluoride, As2F5), 포스핀(PH3), 또는 삼불화인(phosphorus trifluoride, PF3)이, 컨포멀한 FINFET(FIN 전계 효과 트랜지스터들), 컨포멀한 DRAM(다이내믹 랜덤 액세스 메모리) 및 컨포멀한 플래시 도핑 응용들을 목표로 하는 n-타입 주입 프로세스에 대해 이용되는 전형적인 도펀트 전구체들이다. p-타입 도핑에 대해서는, 이를 테면 삼불화붕소(BF3), 디보란(diborane, B2H6) 등과 같은 붕소-함유 전구체들이 이용될 수 있다. 기판, 또는 기판의 일부분들의 재료 변경에 적합한 다른 도펀트들의 예들에는, 게르만(germane, GeH4), 메탄(CH4), 이산화탄소(CO2), 사불화탄소(CF4), 시레인(SiH4), 사불화실리콘(SiF4), 질소(N2) 및 산소(O2)가 포함된다.
일부 실시예들에서, 하나 또는 둘 이상의 도펀트들은, 최소의 가스 유동을 가지면서 매우 낮은 압력에서 저 에너지 주입 프로세스(low energy implant process)를 이용하여 주입될 수 있다. 이러한 프로세스는 유익하게는 주입 동안 중성 이온들(neutral ions)의 기여(contribution)를 부가할 수 있는데, 이는 도즈량 레이트(dose rate)를 늦춘다(slow down). 대안적으로, 저 에너지 주입 프로세스에서 도펀트 이온들의 체류 시간(residence time)을 증가시키기 위해, 주입 압력이 증가될 수 있으며 그리고 프로세스 가스 유동이 감소될 수 있다.
예를 들어, 도펀트 영역(202)은 하나 또는 둘 이상의 전구체 가스들을 포함하는 제 1 프로세스 가스를 제공함으로써 형성될 수 있다. 하나 또는 둘 이상의 전구체 가스들은, 예를 들어 상기 설명된 도펀트 원소들중 임의의 것과 같은, 주입될 원소들을 포함한다. 제 1 프로세스 가스는 적합한 유량, 예를 들어 약 0.5 내지 약 400 sccm의 유량으로 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제 1 프로세스 가스는, 예를 들어, 제한하는 것은 아니지만, 아르곤, 헬륨, 질소 등을 포함하는 비활성 가스와 같은 캐리어 가스를 더 포함할 수 있다. 캐리어 가스가 제공되는 실시예들에서, 이러한 캐리어 가스는 약 90 퍼센트까지의 제 1 프로세스 가스, 또는 약 1 내지 약 99 퍼센트의 제 1 프로세스 가스를 포함할 수 있다.
기판 내에 하나 또는 둘 이상의 도펀트들을 주입하여 도펀트 영역을 형성하기 위해, 또는 기판 상에 하나 또는 둘 이상의 도펀트들을 증착하여 도펀트 영역을 형성하기 위해, 제 1 프로세스 가스로부터 플라즈마가 생성될 수 있다. 플라즈마는, (예를 들어, MHz 또는 GHz 범위의) 플라즈마를 형성하기에 적합한 주파수에서 소스 전력을 인가함으로써 형성될 수 있다.
기판(200) 쪽으로의 이온들의 플럭스(flux)를 제어하기 위해, 그리고 일부 실시예들에서는, 기판(200) 내로의 이온 침투(ion penetration)의 깊이를 제어하기 위해, 주입 및/또는 증착 동안 기판(200)은 바이어싱(biasing)될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 약 0.5 내지 약 60MHz 또는 약 2MHz의 주파수에서 약 50 내지 3000 와트까지의 기판 바이어스 전력이 제공될 수 있다. 주입 및/또는 증착 동안, 소스 RF 전력은 약 100 내지 3000 와트일 수 있으며, 주파수는 약 0.5 내지 약 60MHz, 또는 약 13.5MHz 일 수 있다.
플라즈마는 저압 프로세스로 형성될 수 있으며, 이에 의해 기판(200) 내에서의 오염에 의해 야기되는 결함들(contamination induced defects)의 가능성 및/또는 실리콘-함유 층과 같은 임의의 하부 층(underlying layer)의 비정질화(amorphization)를 감소시킨다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 이온 주입은 약 1 내지 약 500mTorr의 압력에서 수행될 수 있다. 또한, 심지어 이러한 저압 레벨들에서도 발생할 수 있는, 이온 충격에 의해 야기되는 결함들은, 원격 플라즈마 소스를 이용함으로써, 또는 선택적으로는, 플라즈마 소스 전력을 펄싱(pulsing)함으로써, 더 제한되거나 방지될 수 있다.
대안적으로 또는 조합하여, 주입 프로세스 대신에 또는 주입 프로세스에 부가하여, 도펀트 영역(202)을 형성하기 위해 하나 또는 둘 이상의 도펀트들이 기판(200) 상에 증착될 수 있다. 하나 또는 둘 이상의 도펀트들은, 예를 들어, 상기 설명한 주입 프로세스를 수행하기에 적합한 동일한 챔버에서, 기판(200) 상에 증착될 수 있다. 예를 들어, 기판 바이어스 전압을 감소시키거나 또는 제거함으로써, 하나 또는 둘 이상의 도펀트들이 기판 상에 증착될 수 있다. 증착되는 막의 두께는, 기판 바이어스 전압을 갖지 않는(또는 감소된 기판 바이어스 전압을 갖는) 프로세스의 지속기간(duration), 하나 또는 둘 이상의 도펀트들의 유량, 프로세스 챔버 내에서의 압력, 및 플라즈마 소스 전력의 레벨에 의해 제어될 수 있다.
다음으로, 104에서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 도펀트 영역(202) 상에 캡 층(204)이 증착된다. 본 발명자들은, 플라즈마 기술에 의해 주입될 때, 도펀트들은 이후의 어닐링 프로세스 동안 주변의 대기와의 상호작용으로 인해 도즈량(dose)을 손실하는 경향이 있다는 것을 관찰하였다. 예를 들어, 어닐링 동안, 도즈량의 약 50%가 주변의(ambient) 산소(O2)에서 손실될 수 있고, 도즈량의 약 90%가 주변의 질소(N2)에서 손실될 수 있다. 따라서, 캡 층(204)은 유익하게는, 도펀트 영역(202)으로부터의 도펀트 손실을 막기 위해 도펀트 영역(202)과 대기 사이의 물리적인 장벽의 역할을 할 수 있다. 도펀트들이 유독성의 또는 다른(otherwise) 위험한 재료들을 포함하는 실시예들에서, 캡 층은 기판을 취급하기가 더 안전하게 한다.
일부 실시예들에서, 캡 층(204)은, 이를 테면 실리콘 이산화물(SiO2), 시레인(SiH4), 실리콘 카바이드(SiC) 등과 같은 실리콘 함유 재료로부터 형성된다. 일부 실시예들에서, 캡 층(204)은 약 100Å까지 범위의 두께를 가질 수 있다. 캡 층(204)은, 이를 테면 화학 기상 증착("CVD"), 물리 기상 증착("PVD") 등과 같은 임의의 적합한 프로세스에 의해 증착될 수 있다. 캡 층(204)은 증착 챔버에서 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 증착 챔버는 도펀트 영역(202)이 형성되었던 제 1 프로세스 챔버일 수 있다(즉, 캡 층(204)은 인시츄로 형성될 수 있다). 대안적으로, 캡 층(204)은 도펀트 영역(202)이 형성되었던 프로세스 챔버와 다른 프로세스 챔버에서 형성될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 기판은, 예를 들어 도 4와 관련하여 하기 설명되는 클러스터 툴을 이용함으로써, 진공 하에서 유지되면서 캡 층 증착 챔버로 이송될 수 있다.
다음으로, 106에서, 캡 층(204)의 두께를 감소시키기 위해, 캡 층(204)이 선택적으로 제거될 수 있다. 캡 층의 두께를 감소시키게 되면, 하기 논의되는 바와 같이, 기판을 어닐링한 후 캡 층(204)의 더 용이하고 더 빠른 제거를 촉진시킨다. 캡 층(204)은 식각 챔버에서 식각될 수 있다. 식각 챔버는 캡 층(204)이 형성되었던 동일한 프로세스 챔버(예를 들어, 제 1 프로세스 챔버 또는 캡 층 증착 챔버)일 수 있거나, 또는 상이한 프로세스 챔버일 수 있다. 일부 실시예들에서, 캡 층(204)은 도펀트 영역(202)이 가스를 방출하고 및/또는 대기와 반응하는 것을 막기 때문에, 기판은 진공 하에서 유지되지 않으면서 식각을 위해 프로세스 챔버로 이송될 수 있다.
도핑 프로세스 동안 기판(200)을 보호하기 위해 마스크 층이 이용되는 실시예들에서, 마스크 층은 기판(200)을 어닐링하기 전에 제거될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 기판(200)은 진공하에서 마스크 제거 챔버로 이송될 수 있으며, 이러한 마스크 제거 챔버에서 마스크 층이 제거될 수 있다. 일부 실시예들에서, 마스크 층은 플라즈마 도핑 챔버에서 인시츄로 기판(200)으로부터 제거될 수 있거나, 또는 기판(200)을 다른 챔버로 이송하지 않으면서 식각 챔버(예를 들어, 캡 층(204)을 식각하는 데에 이용되는 식각 챔버)에서 제거될 수 있다. 일부 실시예들에서, 캡 층(204)은 도펀트 영역(202)이 가스를 방출하고 및/또는 대기와 반응하는 것을 막기 때문에, 기판(200)은 진공 하에서 유지되지 않으면서 마스크 제거 챔버로 이송될 수 있다.
일부 실시예들에서, 마스크 층은 포토레지스트의 층을 포함할 수 있다. 마스크 층은, 예를 들어 산소(O2), 삼불화질소(NF3), 사불화탄소 (CF4), 수소 (H2), 또는 질소(N2) 가스 중에서 하나 또는 둘 이상을 포함하는 플라즈마에 대한 노출에 의해 벗겨질 수 있다. 마스크 층에 대한 임의의 손상, 플라즈마 화학작용(plasma chemistry) 및 플라즈마 밀도에 의존하여, 마스크 층은 도핑 챔버(예를 들어, P3I 프로세스 챔버)와 유사한 챔버에서 제거될 수 있다. 예를 들어, 마스크 층 제거를 촉진시키기 위해 조정될 수 있는 프로세스 파라미터들은 RF 소스 전력(예를 들어, 플라즈마에 제공되는 RF 전력), 가스 유동, 챔버 압력 및 시간을 포함할 수 있다. 마스크 제거 챔버는 선택적인 마스크 제거 프로세스를 수행할 수 있는 임의의 챔버일 수 있다. 이러한 적합한 챔버들의 비제한적인 예들은, 어플라이드 머티어리얼스 인코포레이티드로부터 또한 입수가능한, 상기 언급한 P3I 프로세스 챔버 또는 액시엄 프로세스 챔버(Axiom process chamber)를 포함한다. 다른 제조업자들로부터 입수가능한 프로세스 챔버들을 포함하는 다른 프로세스 챔버들이 또한 이용될 수 있다.
다음으로, 108에서, 기판(200)은 도펀트 영역 내에 배치된 도펀트들을 활성화시키기 위해 어닐링된다. 하나 또는 둘 이상의 도펀트들이 도펀트 영역(202) 상에 증착되는 실시예들에서, 이러한 프로세스는 하나 또는 둘 이상의 도펀트들을 기판(200) 내로 드라이브(drive)시키는 것을 촉진시킬 수 있다. 기판은 도펀트 활성화 챔버에서 어닐링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판은 진공하에서 도펀트 활성화 챔버로 이송될 수 있으며, 이러한 도펀트 활성화 챔버에서는, 기판 내에 주입된 또는 기판 상에 배치된 도펀트들을 활성화시키기 위해 기판이 어닐링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 캡 층(204)은 도펀트 영역(202)이 가스를 방출하고 및/또는 대기와 반응하는 것을 막기 때문에, 기판(200)은 진공 하에서 유지되지 않으면서 도펀트 활성화 챔버로 이송될 수 있다.
일부 실시예들에서, 기판을 약 600 내지 약 1300℃, 또는 약 1000℃의 제 1 온도로 가열함으로써, 기판이 어닐링될 수 있다. 일부 실시예들에서는, 기판을 약 1초 내지 몇 시간의 제 1 시간 기간 동안 약 200 내지 약 800℃의 제 1 온도로 제 1 가열하는 것을 포함하는 2-단계 프로세스로, 기판이 어닐링될 수 있다. 이후, 기판은 제 2의 더 높은 온도로 가열될 수 있다. 제 2 온도는 약 800 내지 약 1300℃일 수 있으며, 약 1초 내지 약 몇 시간의 지속기간을 가질 수 있다. 어닐링 프로세스 동안, 기판은, 이를 테면 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등과 같은 비활성 가스, 수소(H2), 암모니아(NH3), 산소(O2), 또는 이들의 조합들에 노출될 수 있다. 만일 기판이 도핑을 위한 구역(area)들을 보호하기 위한 패터닝된 마스크를 갖지 않는 다면, 기판들은 도핑 프로세스 이후 도핑 챔버로부터 도펀트 활성화 챔버로 바로 이송될 수 있다. 본 발명자들은, 도펀트 손실 및 유전체 막 축적(build up)(예를 들어, 수분에 대한 노출로 인한, 산화붕소와 같은 유전체 막의 축적)은 인시츄 도펀트 활성화(예를 들어, 어닐)에 의해 그리고 기판을 대기에 노출시키지 않음으로써 감소될 수 있다는 것을 발견하였다. 도펀트 활성화 프로세스는 어닐과 같은 고온 프로세스일 수 있으며, 그리고 제한하는 것은 아니지만, 이를 테면 어플라이드 머티어리얼스 인코포레이티드로부터 입수가능한, RTP RADIANCE
Figure pct00001
프로세스 챔버 또는 CENTURA
Figure pct00002
플랫폼 내의 임의의 다른 어닐 툴과 같은 임의의 적합한 프로세스 챔버에서 수행될 수 있다.
다음으로, 110에서, 도 2c에 도시된 바와 같이, 캡 층(204)이 제거된다. 캡 층(204)은, 캡 층(204)의 두께를 감소시키기 위해, 106에서 상기 설명된 것과 같은 임의의 적합한 프로세스 챔버에서 제거될 수 있다. 캡 층(204)은 임의의 적합한 식각 프로세스를 이용하여 제거될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 기반의 캡 층(204)은 삼불화질소(NF3)와 같은 불소 전구체를 이용하여 제거될 수 있다. 110에서 캡 층(204)의 제거시, 일반적으로 방법(100)이 끝나며, 제조를 완료하기 위해 요구되는 경우 기판은 프로세싱을 계속할 수 있다. 구조화된(structured) 웨이퍼들에 대한 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy, TEM) 분석에 기초하여, 1) 주입된 비소 막 및 캡핑된(capped) 막은 상부 표면 상에서의 감소된 증착에 대해 컨포멀하고(예를 들어, 보다 컨포멀하고 균일한 막 프로파일들이 제공되었다), 그리고 2) 캡 층을 벗겨낸 후 구조에 대한 어떠한 손상도 존재하지 않는 다는 것이 입증되었다.
도 3을 참조하면, 상기 인용된 응용에서 개시된 타입의 트로이달(toroidal) 소스 플라즈마 액침 이온 주입("P3i") 리액터(300)는 원통형 측벽(304) 및 디스크 형상 천장(disk-shaped ceiling)(306)에 의해 정의되는 원통형 진공 챔버(302)를 갖는다. 챔버의 바닥에 있는 기판 지지체(308)는 프로세싱될 기판(310)을 지지한다. 천장(306) 상의 가스 분배 플레이트 또는 샤워헤드(312)는 가스 분배 패널(316)로부터 자신의 가스 매니폴드(manifold)(314)에서 프로세스 가스를 수신하며, 상기 가스 분배 패널의 가스 출력은 하나 또는 둘 이상의 개별적인 가스 공급부들(318)로부터의 가스들 중 임의의 하나 또는 이러한 가스들의 혼합물들이 될 수 있다. 기판 지지체(308)와 측벽(304) 사이에 정의되는 펌핑 고리(pumping annulus)(322)에 진공 펌프(320)가 커플링된다. 프로세싱 영역(324)은 기판(310)과 가스 분배 플레이트(312) 사이에 정의된다.
한 쌍의 외부의 오목한 도관들(reentrant conduits)(326, 328)은, 프로세싱 영역(324)을 통과하는 플라즈마 전류들에 대한 오목한 트로이달 경로들, 및 프로세싱 영역(324)에서 교차하는(intersecting) 트로이달 경로들을 설정한다. 도관들(326, 328) 각각은 챔버의 반대쪽 측면들에 커플링된 한 쌍의 단부들(330)을 갖는다. 각 도관(326, 328)은 속이 빈(hollow) 전도성 튜브이다. 각 도관(326, 328)은, 도관의 2개의 단부들 사이에서 폐쇄 루프 전도성 경로가 형성되는 것을 막는 D.C. 절연 링(332)을 갖는다.
각 도관(326, 328)의 고리 모양(annular) 부분은 고리 모양 자기 코어(334)에 의해 둘러싸인다. 코어(334)를 둘러싸는 여기 코일(excitation coil)(336)이 임피던스 정합 디바이스(340)를 통해 RF 전력 소스(338)에 커플링된다. 코어들(336)의 각각의 것들에 커플링된 2개의 RF 전력 소스들(338)은 2개의 약간 상이한 주파수들로 이루어질 수 있다. RF 전력 발생기들(338)로부터 커플링되는 RF 전력은, 각각의 도관(326, 328)을 통해 그리고 프로세싱 영역(324)을 통해 연장하는 폐쇄 토로이달 경로들에 플라즈마 이온 전류들을 생성한다. 이러한 이온 전류들은 각각의 RF 전력 소스(338)의 주파수에서 진동한다. 임피던스 정합 회로(344)를 통해 바이어스 전력 발생기(342)에 의해 및/또는 DC 전력 소스(350)에 의해 기판 지지체(308)에 바이어스 전력이 인가된다.
가스 분배 플레이트(312)를 통해 챔버(324) 내로 프로세스 가스 또는 프로세스 가스들의 혼합물을 도입시키고, 발생기들(338)로부터의 충분한 소스 전력을 오목한 도관들(326, 328)에 인가하여, 도관들 내에 그리고 프로세싱 영역(324) 내에 트로이달 플라즈마 전류들을 생성함으로써, 플라즈마 형성이 수행된다.
기판 표면 근방의 플라즈마 플럭스는 RF 바이어스 전력 발생기(342)에 의해 인가되는 기판 바이어스 전압에 의해 결정된다. 플라즈마 레이트 또는 플럭스(초당 평방 센티미터 마다 기판 표면을 샘플링하는 이온들의 수)는 플라즈마 밀도에 의해 결정되며, 이러한 플라즈마 밀도는 RF 소스 전력 발생기들(338)에 의해 인가되는 RF 전력의 레벨에 의해 제어된다. 기판(310)에서의 누적 이온 도즈량(이온들/평방 센티미터)은 플럭스와 이러한 플럭스가 유지되는 총 시간 모두에 의해 결정된다.
기판 지지체(308)가 정전 척이라면, 기판 지지체의 절연 플레이트(348) 내에 매립 전극(buried electrode)(346)이 제공되며, 그리고 이러한 매립 전극(346)은 임피던스 정합 회로(344)를 통해 바이어스 전력 발생기(342)에 커플링되거나, 또는 DC 전력 소스(350)에 커플링된다.
동작에 있어서, 그리고 예를 들어, 기판(310)은 기판 지지체(308) 상에 배치될 수 있으며, 그리고 하나 또는 둘 이상의 프로세스 가스들이 챔버(302)에 도입되어, 이러한 프로세스 가스들로부터 플라즈마를 점화(strike)시킬 수 있다.
동작에 있어서, 상기 논의된 바와 같이 기판(310)의 표면들을 선택적으로 변경하기 위해 리액터(300) 내에서 프로세스 가스들로부터 플라즈마가 생성될 수 있다. 상기 설명된 프로세스에 따라, 발생기들(338)로부터의 충분한 소스 전력을 오목한 도관들(326, 328)에 인가하여, 도관들(326, 328) 내에서 그리고 프로세싱 영역(324) 내에서 플라즈마 이온 전류들을 생성함으로써, 프로세싱 영역(324) 내에서 플라즈마가 형성된다. 일부 실시예들에서, RF 바이어스 전력 발생기(342)에 의해 전달되는 기판 바이어스 전압은, 기판 표면에 대한 이온들의 플럭스, 및 가능하게는, 기판 상에 형성되는 층의 두께 또는 기판 표면에 내장되는(embedded) 플라즈마 종(species)의 농도 중에서 하나 또는 둘 이상을 제어하도록 조정될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일부분들을 수행하는 데에 적합한 클러스터 툴을 도시한다. 일반적으로, 클러스터 툴은, 기판 센터파인딩(center-finding) 및 방위(orientation), 캡핑, 어닐링, 증착 및/또는 식각을 포함하는 다양한 기능들을 수행하는 다수의 챔버들을 포함하는 모듈 시스템(modular system)이다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 클러스터 툴은, 본 발명의 방법(100)에서 설명된 본 발명의 단계들을 수행하도록 구성된, 어닐링 프로세스 챔버, 캡핑 프로세스 챔버, 식각 프로세스 챔버, 및 층 증착 프로세스 챔버를 포함할 수 있다. 클러스터 툴의 다수의 프로세스 챔버들은, 이러한 챔버들 사이에 기판들을 왕복시키도록(shuttle) 적응된 로봇을 하우징하는 중앙 이송 챔버에 장착된다. 이송 챔버는 전형적으로 진공 상태로 유지되며, 그리고 기판들을 하나의 챔버로부터 다른 챔버로 및/또는 클러스터 툴의 프론트 엔드(front end)에 위치되는 로드 록 챔버로 왕복시키기 위한 중간 스테이지(intermediate stage)를 제공한다. 이러한 하나의 스테이지형-진공(staged-vacuum) 기판 프로세싱 시스템의 상세한 사항들은, "Staged-Vacuum Substrate Processing System and Method"란 명칭으로 1993년 2월 16일자로 허여된 Tepman 등의 미국 특허 번호 제 5,186,718 호에 개시되어 있다. 하지만, 챔버들의 정확한 배열 및 조합은, 도펀트 손실을 제한하고 강화된 도펀트 확산을 달성하기 위한 본 발명의 컨포멀한 도핑 방법들을 포함하는 제조 프로세스의 특정 단계들을 수행하기 위한 목적들로 변경될 수 있다.
예시를 위해, 특정 클러스터 툴(480)이 도 4에서 평면도로 도시되어 있다. 클러스터 툴(480)은 일반적으로 복수의 챔버들 및 로봇들을 포함하며, 그리고 바람직하게는, 클러스터 툴(480) 내에서 수행되는 다양한 프로세싱 방법들을 실시하도록 프로그램된 마이크로프로세서 제어기(440)를 갖추고 있다. 프론트-엔드 환경(front-end environment)(483)이 로드 록 챔버들(484)의 쌍과 선택적으로 소통하면서 위치되는 것으로 도시되어 있다. 프론트-엔드 환경(483) 내에 배치된 포드 로더(pod loader)(485)는, 프론트-엔드 환경(483) 상에 장착되는 복수의 포드들(487)과 로드 록들(484) 사이에서 기판들의 카세트들을 왕복하게 하기 위한 선형 및 회전 운동들(화살표들(482))이 가능하다. 로드 록들(484)은 프론트-엔드 환경(483)과 이송 챔버(488) 사이에 제 1 진공 인터페이스를 제공한다. 이송 챔버(488) 및 프론트-엔드 환경(483)과 대체가능하게(alternatively) 소통함으로써 처리량을 증가시키기 위해, 2개의 로드 록들(484)이 제공된다. 따라서, 하나의 로드 록(484)은 이송 챔버(488)와 소통하는 동안, 제 2 로드 록(484)은 프론트-엔드 환경(483)과 소통한다. 로드 록들(484)로부터 다양한 프로세싱 챔버들(490)과 서비스 챔버들(491) 중 하나에 기판들을 이송하기 위해, 로봇(489)이 이송 챔버(488) 내에 중심에 배치된다. 프로세싱 챔버들(490)은 물리 기상 증착, 화학 기상 증착 및 식각과 같은 임의의 수의 프로세스들을 수행할 수 있는 한편, 서비스 챔버들(491)은 가스 방출(degassing), 방위, 냉각(cooldown) 등을 위해 적응된다.
본 발명의 실시예들에서, 프로세싱 챔버들(490) 중 적어도 하나는, 도 3에 도시된 챔버(300)와 같은 플라즈마 도핑 프로세스 챔버, 또는 어플라이드 머티어리얼스 인코포레이티드로부터 입수가능한 P3i 챔버로서 구성되며, 그리고 프로세싱 챔버들(490) 중 적어도 하나는 어닐링 프로세스 챔버(490)로서 구성된다. 일부 실시예들에서, 플라즈마 도핑 챔버는 기판(200) 상에 도펀트 영역(202)을 형성하고, 도펀트 영역(202) 상에 캡 층(204)을 형성하고, 캡 층(204)을 제거하는 데에 이용될 수 있다. 도펀트 활성화 챔버는, 캡 층(204)이 형성된 후 도펀트 영역(202)을 어닐링하는 데에 이용될 수 있다. 클러스터 툴(480) 상에 챔버들 양자 모두를 포함시키게 되면, 기판(200)이 오염이 없도록(free) 유지될 수 있게 허용하고, 도펀트 손실을 막기 위해 기판이 대기에 노출되는 것을 막는다.
일부 실시예들에서, 제 1 프로세스 챔버(490a)(예를 들어, 플라즈마 도핑 챔버)는 기판(200) 상에 도펀트 영역(202)을 형성하는 데에 이용되고, 제 2 프로세스 챔버(490b)(예를 들어, 증착 챔버)는 도펀트 영역(202) 상에 캡 층(204)을 증착하는 데에 이용되고, 제 3 프로세스 챔버(490c)(예를 들어, 도펀트 활성화 챔버)는 캡 층(204)이 형성된 후 도펀트 영역(202)을 어닐링하는 데에 이용되며, 그리고 제 4 프로세스 챔버(490d)(예를 들어, 식각 챔버)는 도펀트 영역(202)이 어닐링된 후 캡 층(204)을 제거하는 데에 이용된다. 대안적으로, 식각 챔버 및/또는 도펀트 활성화 챔버 중 적어도 하나는 클러스터 툴(480)로부터 원격에 배치될 수 있다.
도펀트 영역(202)을 어닐링하기 전에 캡 층(204)의 두께가 감소되는 실시예들에서, 캡 층(204)의 식각은 플라즈마 도핑 챔버에서 또는 클러스터 툴(480)에 커플링된 개별적인 식각 챔버에서 수행될 수 있다.
일부 실시예들에서, 기판(200) 상에 도펀트 영역(202)을 형성하는 것 및 도펀트 영역(202) 상에 캡 층(204)을 형성하는 것은 클러스터 툴(480)에서 일어날 수 있는 한편, 도펀트 영역(202)을 어닐링하기 전에 캡 층의 두께를 감소시키는 것, 캡 층(204)이 형성된 후 도펀트 영역(202)을 어닐링하는 것 및 캡 층(204)을 제거하는 것은 클러스터 툴로부터 원격에 배치되는 하나 또는 둘 이상의 개별적인 프로세스 챔버들에서 일어날 수 있다.
제어기(440)는 일반적으로 중앙처리장치(CPU)(442), 메모리(444) 및 지원 회로(446)들을 포함하며, 그리고 클러스터 툴(480) 및 지원 시스템들(430)에 커플링되어, (도 4에 도시된 바와 같이) 직접적으로, 또는 대안적으로는, 프로세스 챔버와 연관된 컴퓨터들(또는 제어기들) 및/또는 지원 시스템들을 통해, 클러스터 툴(480) 및 지원 시스템들(430)을 제어한다.
제어기(440)는 본 발명의 실시예들에 따라 상기 설명된 방법들을 수행하기 위한 명령이 그 위에 저장되어 있는 컴퓨터 판독가능한 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독가능한 매체가 제어기에 의해 판독될 때, 제어기(440)는 본 발명의 방법들을 수행하기 위한 명령들을 프로세스 챔버들(490)에 직접적으로, 또는 대안적으로는, 프로세스 챔버들(490)과 연관된 컴퓨터들(또는 제어기들) 및/또는 이들의 지원 시스템들을 통해 발행(issue)한다. 대안적으로, 본 발명의 방법들을 수행하기 위한 컴퓨터 판독가능한 매체는 프로세스 챔버들(490)과 연관된 제어기들 상에 포함될 수 있다.
이와 같이, 본원에서는 도펀트 손실을 제한하고 강화된 도펀트 확산을 달성하기 위한 방법들이 제공된다. 상술한 것은 본 발명의 실시예들에 관한 것이지만, 본 발명의 다른 및 추가 실시예들이 본 발명의 기본 범위를 벗어나지 않으면서 안출될 수 있다.

Claims (15)

  1. 기판을 도핑하는 방법으로서,
    플라즈마 도핑 프로세스를 이용하여 기판의 도펀트 영역 내로 하나 또는 둘 이상의 도펀트 원소(dopant element)들을 주입함으로써, 상기 기판 상에 상기 도펀트 영역을 형성하는 단계;
    상기 도펀트 영역 상에 캡 층(cap layer)을 형성하는 단계;
    상기 캡 층을 형성한 후, 상기 도펀트 영역을 어닐링하는 단계; 및
    상기 도펀트 영역을 어닐링한 후, 상기 캡 층을 제거하는 단계를 포함하는,
    기판을 도핑하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 상에 상기 도펀트 영역을 형성하는 단계는,
    도펀트 원소를 함유하는 비소(arsenic) 또는 도펀트 원소를 함유하는 인(phosphorus) 중에서 적어도 하나를 상기 기판의 상기 도펀트 영역 내로 주입하는 단계를 더 포함하는,
    기판을 도핑하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 상에 상기 도펀트 영역을 형성하는 단계는,
    삼불화붕소(BF3), 디보란(diborane, B2H6), 메탄(CH4), 사불화탄소(CF4), 삼불화인(PF3), 디-아세닉 플루오라이드(As2F5), 안티몬(Sb), 또는 인듐(In) 중에서 적어도 하나를 상기 기판의 상기 도펀트 영역 내로 주입하는 단계를 더 포함하는,
    기판을 도핑하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판 상에 상기 도펀트 영역을 형성하는 단계는,
    상기 도펀트 영역을 형성하는 동안, 상기 기판에 기판 바이어스 전압을 인가하는 단계를 더 포함하는,
    기판을 도핑하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 도핑 프로세스 동안, 제로 전압(zero voltage) 전력이 상기 기판에 인가되는,
    기판을 도핑하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캡 층을 형성하는 단계는,
    상기 도펀트 영역 상에 실리콘-함유 재료를 증착하는 단계를 더 포함하는,
    기판을 도핑하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 실리콘-함유 재료는 실리콘 이산화물(SiO2) 또는 실리콘 카바이드(SiC) 중에서 적어도 하나를 포함하는,
    기판을 도핑하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캡 층은 약 100Å까지의 두께로 증착되는,
    기판을 도핑하는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도펀트 영역을 약 600℃ 내지 약 1300℃의 온도에서 어닐링하는 단계를 더 포함하는,
    기판을 도핑하는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도펀트 영역을 형성하는 단계 및 상기 도펀트 영역 상에 상기 캡 층을 형성하는 단계는, 상기 기판을 대기(atmosphere)에 노출시키지 않으면서 수행되는,
    기판을 도핑하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 도펀트 영역을 형성하는 단계 및 상기 도펀트 영역 상에 상기 캡 층을 형성하는 단계는, 동일한 프로세스 챔버에서 수행되는,
    기판을 도핑하는 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 캡 층이 상기 도펀트 영역 상에 형성된 이후에만, 상기 기판을 상기 대기에 노출시키는 단계를 더 포함하는,
    기판을 도핑하는 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판 상에 상기 도펀트 영역을 형성하기 위해 그리고 상기 도펀트 영역 상에 상기 캡 층을 형성하기 위해, 클러스터 툴의 제 1 프로세스 챔버를 이용하는 단계;
    상기 캡 층을 형성한 후 상기 도펀트 영역을 어닐링하기 위해, 상기 클러스터 툴 상의 제 2 프로세스 챔버 또는 원격 프로세스 챔버를 이용하는 단계; 및
    상기 도펀트 영역을 어닐링한 후 상기 캡 층을 제거하기 위해, 상기 제 1 프로세스 챔버를 이용하는 단계를 더 포함하는,
    기판을 도핑하는 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판 상에 상기 도펀트 영역을 형성하기 위해, 클러스터 툴의 제 1 프로세스 챔버를 이용하는 단계;
    상기 도펀트 영역 상에 상기 캡 층을 형성하기 위해, 상기 클러스터 툴 상의 제 2 프로세스 챔버를 이용하는 단계;
    상기 캡 층을 형성한 후 상기 도펀트 영역을 어닐링하기 위해, 상기 클러스터 툴 상의 제 3 프로세스 챔버 또는 원격 프로세스 챔버를 이용하는 단계; 및
    상기 도펀트 영역 상의 상기 캡 층을 제거하기 위해, 상기 클러스터 툴의 제 4 프로세스 챔버를 이용하는 단계를 더 포함하는,
    기판을 도핑하는 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도펀트 영역을 어닐링하기 전에, 상기 캡 층의 두께를 감소시키는 단계를 더 포함하는,
    기판을 도핑하는 방법.
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