KR20140083882A - 플라즈마 도핑 장치 및 플라즈마 도핑 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 피처리 기판에 대한 안정된 도핑을 행할 수 있고, 피처리 기판에 대한 도우즈량의 면내 균일성을 높일 수 있는 플라즈마 도핑 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
이러한 플라즈마 도핑 장치(31)에 구비되는 플라즈마 발생 기구(39)는, 플라즈마 여기용의 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기(35)와, 마이크로파 발생기(35)에 의해 발생시킨 마이크로파를 처리 용기(32) 내에 투과시키는 유전체 창(36)과, 복수의 슬롯이 마련되어 있고, 마이크로파를 유전체 창(36)에 방사하는 레이디얼 라인 슬롯 안테나(37)를 포함한다. 제어부(28)는, 유지대(34) 상에 피처리 기판(W)을 배치시킨 상태로, 처리 용기(32) 내에 가스 공급부(33)에 의해 도핑 가스 및 플라즈마 여기용의 가스를 공급하고, 가스 공급부(33)에 의해 도핑 가스 및 플라즈마 여기용의 가스를 공급한 후에 플라즈마 발생 기구(39)에 의해 플라즈마를 발생시켜 피처리 기판(W)에 도핑을 행하며, 피처리 기판(W)에 주입되는 도펀트의 농도가 1×1013 atoms/㎠ 미만이 되도록 제어한다.

Description

플라즈마 도핑 장치 및 플라즈마 도핑 방법{PLASMA DOPING APPARATUS AND PLASMA DOPING METHOD}
본 발명은, 플라즈마 도핑 장치 및 플라즈마 도핑 방법에 관한 것이다.
LSI(Large Scale Integrated circuit)나 MOS(Metal Oxide Semiconductor) 트랜지스터 등의 반도체 소자는, 피처리 기판이 되는 반도체 기판(웨이퍼)에 대하여, 도핑, 에칭, CVD(Chemical Vapor Deposition), 스퍼터링 등의 처리를 실시하여 제조된다.
여기서, 피처리 기판에 도핑을 행할 때에, 저농도의 도핑이 요구되는 경우가 있다. 피처리 기판에 대한 저농도의 도핑에 관한 기술이, 일본 특허 공개 제2004-128209호 공보(특허문헌 1)에 개시되어 있다.
특허문헌 1에 있어서는, 저농도 도핑을 행하기 위해서는, 진공 용기 내의 압력을 낮추고, 도핑 가스의 분압(分壓)을 작게 할 필요가 있다는 기재가 있다. 또한, 특허문헌 1에는, 시료에 대한 이온 조사 데미지가 작은 헬륨(He)을 희석 가스로서 이용한 경우, 저압에서는 방전이 개시되기 어렵다고 하는 점이 기재되어 있다. 그리고, 특허문헌 1에 있어서는, 이러한 과제를 해결하는 플라즈마 도핑 방법에 관해서, 진공 용기 내의 시료 전극에 시료를 배치하는 제1 단계와, 진공 용기 내에 가스를 공급하면서 진공 용기 내를 배기시키고, 진공 용기 내를 제1 압력으로 제어하면서, 플라즈마원에 고주파 전극을 공급함으로써, 진공 용기 내에 플라즈마를 발생시키는 제2 단계와, 플라즈마를 발생시킨 상태인 채로, 진공 용기 내를 제1 압력보다 낮은 제2 압력으로 제어하는 제3 단계를 포함하는 것으로 하고 있다. 또한, 특허문헌 1에 있어서는, 희석 가스로서 헬륨을 이용하고, 플라즈마원으로서 유도 결합형 플라즈마[ICP(Inductively-Coupled Plasma)]를 이용하는 것으로 하고 있다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2004-128209호 공보
특허문헌 1에 의하면, 희석 가스로서 헬륨을 이용하고, ICP, 즉 유도 결합에 의해 생성한 플라즈마에 의해 도핑을 행할 때에, 진공 용기 내를 높은 압력으로 하여 플라즈마를 발생시키며, 그 후에 도핑 가스를 처리 용기 내에 공급하고, 진공 용기 내를 낮은 압력으로 하여 도핑을 행하는 것으로 하고 있다. 그러나, 이러한 공정에서는 이하의 문제가 생길 우려가 있다.
즉, 이러한 특허문헌 1에 개시된 공정에 의하면, 진공 용기 내에서 유도 결합에 의해 생성한 플라즈마를 발생시키고 나서 공급되는 도핑 가스가 진공 용기 내에 균일하게 공급될 때까지, 적어도 수초 정도의 시간이 필요하다. 반대로 말하면, 유도 결합에 의한 플라즈마를 발생시킨 상태에 있어서, 도핑 가스를 공급하고 나서 적어도 수초 동안은, 진공 용기 내에서 도핑 가스의 농도가 불균일한 상태가 된다. 이 수초 동안에도, 발생시킨 ICP에 의한 피처리 기판에 대한 도핑이 진행되게 된다. 도핑 가스의 농도가 불균일한 상태에서의 도핑은, 피처리 기판의 면내에서의 도우즈량의 불균일을 발생시키는 요인이 된다. 특히, 비교적 저농도의 도핑을 행하는 경우, 도핑 시간 그 자체가 단시간이 되는 것도 결부되어, 피처리 기판에 대한 면내 불균일한 도핑의 경향이 더욱 현저해진다.
또한, 특허문헌 1에 개시되어 있는 바와 같이, 헬륨을 희석 가스로서 이용한 도핑에 있어서는, 저압으로 방전을 개시하는 것이 어렵다고 하는 결점이 있다. 따라서, 헬륨을 희석 가스로서 이용한 도핑을 행하는 경우에는, 적어도 방전의 개시시에 있어서 진공 용기 내의 압력을 높게 할 필요가 있다. 이러한 고압의 프로세스 조건, 구체적으로는, 고압에서의 방전의 개시를 전제로 한 도핑은, 공정상의 제약을 받아 바람직하지 않은 것, 즉 예컨대, 특허문헌 1과 같이, 방전을 개시시키는 압력과 도핑을 행하는 압력을 변경해야 하는 상태가 발생하여, 프로세스의 번잡화를 초래하게 된다. 또한, 희석 가스의 선택의 여지가 없어, 도핑에 있어서 프로세스 설계의 자유도의 관점에서도 문제가 있다.
또한, 특허문헌 1에 있어서는, 저농도의 도핑으로서, 1.0×1013 atoms/㎠ 규모의 도핑을 행하고 있지만, 도우즈량을 더욱 적게 하는 것이 요구되는 경우가 있다. 구체적으로는, 1.0×1012 atoms/㎠ 규모의 저농도의 도핑이 요구되는 경우가 있다. 이와 같이 한층 더 저농도의 도핑을 행하는 경우, 상기한 여러 문제가 보다 현저해져, 특허문헌 1에 개시된 기술에 있어서는, 대응하는 것이 어려워진다.
본 발명의 하나의 양태에 있어서는, 플라즈마 도핑 장치는, 피처리 기판에 도펀트를 주입하여 도핑을 행한다. 플라즈마 도핑 장치는, 그 내부에서 피처리 기판에 도펀트를 주입시키는 처리 용기와, 처리 용기 내에 도핑 가스 및 플라즈마 여기용의 불활성 가스를 공급하는 가스 공급부와, 처리 용기 내에 배치되고, 그 위에 피처리 기판을 유지하는 유지대와, 마이크로파를 이용하여 처리 용기 내에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 기구와, 처리 용기 내의 압력을 조정하는 압력 조정 기구와, 플라즈마 도핑 장치를 제어하는 제어부를 구비한다. 플라즈마 발생 기구는, 플라즈마 여기용의 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기와, 마이크로파 발생기에 의해 발생시킨 마이크로파를 처리 용기 내에 투과시키는 유전체 창과, 복수의 슬롯이 마련되어 있고, 마이크로파를 유전체 창에 방사하는 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 포함한다. 제어부는, 유지대 상에 피처리 기판을 배치시킨 상태로, 처리 용기 내에 가스 공급부에 의해 도핑 가스 및 플라즈마 여기용의 가스를 공급하고, 가스 공급부에 의해 도핑 가스 및 플라즈마 여기용의 가스를 공급한 후에 플라즈마 발생 기구에 의해 플라즈마를 발생시켜 피처리 기판에 도핑을 행하고, 피처리 기판에 주입되는 도펀트의 농도가 1×1013 atoms/㎠ 미만이 되도록 제어한다.
이러한 구성에 의하면, 피처리 기판에 주입되는 도펀트의 농도가 1×1013 atoms/㎠ 미만인 저농도의 도핑을 행할 때에, 레이디얼 라인 슬롯 안테나(Radial Line Slot Antenna)를 이용하여 마이크로파에 의해 플라즈마를 생성하고 있기 때문에, 저전자 온도 및 고전자 밀도의 상태로 도핑을 행할 수 있다. 그렇게 하면, 도핑에서의 피처리 기판에 대한 플라즈마 데미지를 저감할 수 있고, 저농도의 도핑을 효율적으로 행할 수 있다. 또한, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용한 마이크로파에 의하면, 저압부터 고압까지 폭넓은 압력 환경하에서 플라즈마를 발생시킬 수 있기 때문에, 특히 희석 가스나 플라즈마 여기용의 가스의 종류에 구애될 필요는 없고, 또한 도핑 가스를 처리 용기 내에 공급한 상태로 플라즈마를 발생시키고 나서 도핑을 행할 수 있다. 그렇게 하면, 플라즈마를 발생시키기 전부터 도핑 가스를 처리 용기 내에 공급할 수 있고, 도핑 가스가 처리 용기 내에서 균일하게 공급되어 있는 상태로 도핑을 행할 수 있기 때문에, 피처리 기판에서의 도우즈량의 면내 균일성을 높게 할 수 있다. 따라서, 이러한 플라즈마 도핑 장치는, 피처리 기판에 대한 안정된 도핑을 행할 수 있고, 피처리 기판에 대한 도우즈량의 면내 균일성을 높일 수 있다.
또한, 피처리 기판에 주입되는 도펀트의 도우즈량을 계측하는 도우즈량 계측 기구를 구비하고, 제어부는, 도우즈량 계측 기구에 의해 피처리 기판에 주입되는 도펀트의 도우즈량이 원하는 양에 도달했다고 판단되면, 피처리 기판에 대한 도핑을 정지하도록 제어하도록 구성해도 좋다.
또한, 도우즈량 계측 기구는, 처리 용기 내에 있는 원소의 발광 강도를 계측하는 발광 강도 계측 장치를 포함하고, 발광 강도 계측 장치에 의해 측정된 처리 용기 내에 있는 원소의 발광 강도를 기초로, 도펀트의 도우즈량이 원하는 값에 도달했다고 판단하도록 구성해도 좋다.
본 발명의 다른 양태에 있어서는, 플라즈마 도핑 장치는, 피처리 기판에 도펀트를 주입하여 도핑을 행한다. 플라즈마 도핑 장치는, 그 내부에서 피처리 기판에 도펀트를 주입시키는 처리 용기와, 처리 용기 내에 도핑 가스 및 플라즈마 여기용의 불활성 가스를 공급하는 가스 공급부와, 처리 용기 내에 배치되고, 그 위에 피처리 기판을 유지하는 유지대와, 마이크로파를 이용하여 처리 용기 내에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 기구와, 처리 용기 내의 압력을 조정하는 압력 조정 기구와, 피처리 기판에 주입되는 도펀트의 도우즈량을 계측하는 도우즈량 계측 기구와, 플라즈마 도핑 장치를 제어하는 제어부를 구비한다. 플라즈마 발생 기구는, 플라즈마 여기용의 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기와, 마이크로파 발생기에 의해 발생시킨 마이크로파를 처리 용기 내에 투과시키는 유전체 창과, 복수의 슬롯이 마련되어 있고, 마이크로파를 유전체 창에 방사하는 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 포함한다. 제어부는, 유지대 상에 피처리 기판을 배치시킨 상태로, 처리 용기 내에 가스 공급부에 의해 도핑 가스 및 플라즈마 여기용의 가스를 공급하고, 가스 공급부에 의해 도핑 가스 및 플라즈마 여기용의 가스를 공급한 후에 플라즈마 발생 기구에 의해 플라즈마를 발생시켜 피처리 기판에 도핑을 행하고, 도우즈량 계측 기구에 의해 계측된 도우즈량이 소정의 값에 도달하면, 도핑을 정지하도록 제어한다.
또한, 도우즈량 계측 기구는, 처리 용기 내에 있는 원소의 발광 강도를 계측하는 발광 강도 계측 장치를 포함하도록 구성해도 좋다.
또한, 제어부는, 처리 용기 내의 압력을 100 mTorr 이상 150 mTorr 이하로 하여 도핑을 행하도록 압력 조정 기구를 제어하도록 구성해도 좋다.
또한, 플라즈마 여기용의 가스는, He 및 Ar 중의 적어도 어느 하나를 포함하도록 구성해도 좋다.
또한, 도핑 가스는, B2H6 및 BF3 중의 적어도 어느 하나를 포함하도록 구성해도 좋다.
본 발명의 또 다른 양태에 있어서는, 플라즈마 도핑 방법은, 피처리 기판에 도펀트를 주입하여 도핑을 행한다. 플라즈마 도핑 방법은, 처리 용기 내에 배치된 유지대 상에 피처리 기판을 유지시키는 공정과, 처리 용기 내에 도핑 가스 및 플라즈마 여기용의 가스를 공급하는 가스 공급 공정과, 가스 공급 공정 후에, 처리 용기 내에 플라즈마 여기용의 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기, 마이크로파 발생기에 의해 발생시킨 마이크로파를 처리 용기 내에 투과시키는 유전체 창, 및 복수의 슬롯이 마련되어 있고, 마이크로파를 유전체 창에 방사하는 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 처리 용기 내에 플라즈마를 발생시켜, 피처리 기판에 주입되는 도펀트의 농도가 1×1013 atoms/㎠ 미만이 되도록 피처리 기판에 도핑을 행하는 도핑 공정을 포함한다.
또한, 피처리 기판에 주입되는 도펀트의 도우즈량을 계측하여, 피처리 기판에 주입되는 도펀트의 도우즈량이 원하는 양에 도달했다고 판단되면, 피처리 기판에 대한 도핑을 정지하도록 제어하는 정지 공정을 포함하도록 구성해도 좋다.
또한, 정지 공정은, 처리 용기 내에 있는 원소의 발광 강도를 계측하고, 측정한 처리 용기 내에 있는 원소의 발광 강도를 기초로, 도펀트의 도우즈량이 원하는 값에 도달했다고 판단하도록 구성해도 좋다.
본 발명의 또 다른 양태에 있어서는, 플라즈마 도핑 방법은, 피처리 기판에 도펀트를 주입하여 도핑을 행한다. 플라즈마 도핑 방법은, 처리 용기 내에 배치된 유지대 상에 피처리 기판을 유지시키는 공정과, 처리 용기 내에 도핑 가스 및 플라즈마 여기용의 가스를 공급하는 가스 공급 공정과, 가스 공급 공정 후에, 처리 용기 내에 플라즈마 여기용의 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기, 마이크로파 발생기에 의해 발생시킨 마이크로파를 처리 용기 내에 투과시키는 유전체 창, 및 복수의 슬롯이 마련되어 있고, 마이크로파를 유전체 창에 방사하는 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 처리 용기 내에 플라즈마를 발생시켜, 피처리 기판에 도핑을 행하는 도핑 공정과, 도핑 공정에 의해 피처리 기판에 주입되는 도펀트의 도우즈량을 계측하는 도우즈량 계측 공정을 포함한다.
또한, 도우즈량 계측 공정은, 계측한 처리 용기 내에 있는 원소의 발광 강도를 기초로, 도우즈량을 계측하도록 구성해도 좋다.
또한, 처리 용기 내의 압력을 100 mTorr 이상 150 mTorr 이하로 하여 도핑 공정을 행하도록 구성해도 좋다.
또한, 플라즈마 여기용의 가스는, He 및 Ar 중의 적어도 어느 하나를 포함하도록 구성해도 좋다.
또한, 도핑 가스는, B2H6 및 BF3 중의 적어도 어느 하나를 포함하도록 구성해도 좋다.
이와 같은 구성에 의하면, 이러한 플라즈마 도핑 장치는, 피처리 기판에 대한 안정된 도핑을 행할 수 있고, 피처리 기판에 대한 도우즈량의 면내 균일성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 도핑 방법 및 플라즈마 도핑 장치에 의해 제조되는 반도체 소자의 일례인 FinFET(Fin Field Effect Transister)형 반도체 소자의 일부를 나타내는 개략 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 도핑 장치의 주요부를 나타내는 개략 단면도이다.
도 3은 도 2에 나타내는 플라즈마 도핑 장치에 포함되는 슬롯 안테나를, 도 2 중의 화살표 Ⅲ의 방향에서 본 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 도핑 방법의 개략적인 공정을 나타내는 플로우차트이다.
도 5는 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마의 경우, 및 유도 결합에 의해 생성한 플라즈마의 경우의 전자 온도와 유전체 창의 하면으로부터 하방측으로의 거리의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마의 경우, 및 유도 결합에 의해 생성한 플라즈마의 경우의 전자 밀도와 유전체 창의 하면으로부터 하방측으로의 거리의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마의 경우의 공급하는 전력(W)과 전자 온도(eV)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 유도 결합에 의해 생성한 플라즈마의 경우의 공급하는 전력(W)과 전자 밀도(cm-3)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 유도 결합에 의해 생성한 플라즈마에 의해 에칭을 행한 경우의 실리콘 기판의 일부를 확대하여 나타내는 TEM 사진이다.
도 10은 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마에 의해 에칭을 행한 경우의 실리콘 기판의 일부를 확대하여 나타내는 TEM(Transmission Electron Microscope) 사진이다.
도 11은 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마에 의해 도핑을 행한 경우의 붕소의 도우즈량과 도핑 시간의 관계를 나타내는 그래프이며, 바이어스 전력을 인가하지 않은 경우를 나타낸다.
도 12는 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마에 의해 도핑을 행한 경우의 붕소의 도우즈량과 도핑 시간의 관계를 나타내는 그래프이며, 바이어스 전력을 600 W 인가한 경우를 나타낸다.
도 13은 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마에 의해 도핑을 행한 경우에 있어서, 처리 용기 내에서의 붕소의 발광 강도의 시간 적분치와 도핑 시간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14는 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마에 의해 도핑을 행한 경우에 있어서, 도핑 시간과 아르곤의 발광 강도와 붕소의 발광 강도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 15는 붕소의 발광 강도의 적분치와 붕소의 도우즈량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 16은 붕소의 발광 강도의 적분치에 대한 아르곤의 발광 강도의 적분치의 비와 붕소의 도우즈량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 플라즈마 도핑 장치의 주요부를 나타내는 개략 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시형태를, 도면을 참조하여 설명한다. 우선, 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 도핑 방법 및 플라즈마 도핑 장치에 의해 제조되는 반도체 소자의 구성에 관해서 간단히 설명한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 도핑 방법 및 플라즈마 도핑 장치에 의해 제조되는 반도체 소자의 일례인 FinFET형 반도체 소자의 일부를 나타내는 개략 사시도이다. 도 1을 참조해 보면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 도핑 방법 및 플라즈마 도핑 장치에 의해 제조되는 FinFET형 반도체 소자(11)에는, 실리콘 기판(12)의 주표면(13)으로부터 상방향으로 길게 돌출된 핀(14)이 형성되어 있다. 핀(14)의 연장되는 방향은, 도 1 중의 화살표 I로 나타내는 방향이다. 핀(14)의 부분은, FinFET형 반도체 소자(11)의 가로 방향인 화살표 I 방향에서 보면 대략 직사각형이다. 핀(14)의 일부를 덮도록 하여, 핀(14)의 연장되는 방향과 직교하는 방향으로 연장되는 게이트(15)가 형성되어 있다. 핀(14) 중, 형성된 게이트(15)의 앞쪽에 소스(16)가 형성되게 되고, 안쪽에 드레인(17)이 형성되게 된다. 이러한 핀(14)의 형상, 즉 실리콘 기판(12)의 주표면(13)으로부터 상방향으로 돌출된 부분의 표면에 대하여, 마이크로파를 이용하여 발생시킨 플라즈마에 의한 도핑이 행해진다.
한편, 도 1에서 도시는 하지 않지만, 반도체 소자의 제조 공정에 따라서는, 플라즈마 도핑이 행해지기 전의 단계에서, 포토레지스트층이 형성되는 경우도 있다. 포토레지스트층은, 소정의 간격을 두고 핀(14)의 측방측, 예컨대 도 1 중의 지면(紙面) 좌우 방향으로 위치하는 부분에 형성된다. 포토레지스트층은, 핀(14)과 동일한 방향으로 연장되고, 실리콘 기판(12)의 주표면(13)으로부터 상방향으로 길게 돌출되도록 하여 형성된다.
도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 도핑 장치의 주요부를 나타내는 개략 단면도이다. 또한, 도 3은, 도 2에 나타내는 플라즈마 도핑 장치에 포함되는 슬롯 안테나를 하방측, 즉 도 2 중의 화살표 Ⅲ의 방향에서 본 도면이다. 한편, 도 2에 있어서, 이해를 용이하게 하는 관점에서, 부재의 일부의 해칭을 생략하고 있다. 또한, 이 실시형태에 있어서는, 도 2에서의 지면 상하 방향을, 플라즈마 도핑 장치에서의 상하 방향으로 하고 있다.
도 2 및 도 3을 참조해 보면, 플라즈마 도핑 장치(31)는, 그 내부에서 피처리 기판(W)에 플라즈마 도핑을 행하는 처리 용기(32)와, 처리 용기(32) 내에 플라즈마 여기용의 가스나, 도핑 가스를 공급하는 가스 공급부(33)와, 그 위에 피처리 기판(W)을 유지하는 원판형의 유지대(34)와, 마이크로파를 이용하여 처리 용기(32) 내에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 기구(39)와, 처리 용기(32) 내의 압력을 조정하는 압력 조정 기구와, 유지대(34)에 교류의 바이어스 전력을 공급하는 바이어스 전력 공급 기구와, 플라즈마 도핑 장치(31) 전체의 동작을 제어하는 제어부(28)를 구비한다. 제어부(28)는, 가스 공급부(33)에서의 가스 유량, 처리 용기(32) 내의 압력, 유지대(34)에 공급되는 바이어스 전력 등, 플라즈마 도핑 장치(31) 전체의 제어를 행한다.
처리 용기(32)는, 유지대(34)의 하방측에 위치하는 바닥부(41)와, 바닥부(41)의 외주로부터 상방향으로 연장되는 측벽(42)을 포함한다. 측벽(42)은 대략 원통형이다. 처리 용기(32)의 바닥부(41)에는, 그 일부를 관통하도록 배기용의 배기 구멍(43)이 마련되어 있다. 처리 용기(32)의 상부측은 개구되어 있고, 처리 용기(32)의 상부측에 배치되는 덮개부(44), 후술하는 유전체 창(36), 및 유전체 창(36)과 덮개부(44) 사이에 개재하는 시일 부재로서의 O링(45)에 의해, 처리 용기(32)는 밀봉 가능하게 구성되어 있다.
가스 공급부(33)는, 피처리 기판(W)의 중앙을 향하여 가스를 내뿜는 제1 가스 공급부(46)와, 피처리 기판(W)의 외측으로부터 가스를 내뿜는 제2 가스 공급부(47)를 포함한다. 제1 가스 공급부(46)에 있어서 가스를 공급하는 가스 공급 구멍(30)은, 유전체 창(36)의 직경 방향 중앙이자, 유지대(34)와 대향하는 대향면이 되는 유전체 창(36)의 하면(48)보다 유전체 창(36)의 내방측으로 후퇴한 위치에 마련되어 있다. 제1 가스 공급부(46)는, 제1 가스 공급부(46)에 접속된 가스 공급계(49)에 의해 유량 등을 조정하면서 플라즈마 여기용의 불활성 가스나 도핑 가스를 공급한다. 제2 가스 공급부(47)는, 측벽(42)의 상부측의 일부에 있어서, 처리 용기(32) 내에 플라즈마 여기용의 불활성 가스나 도핑 가스를 공급하는 복수의 가스 공급 구멍(50)을 마련하는 것에 의해 형성되어 있다. 복수의 가스 공급 구멍(50)은, 둘레 방향으로 같은 간격을 두고 마련되어 있다. 제1 가스 공급부(46) 및 제2 가스 공급부(47)에는, 동일한 가스 공급원으로부터 동일한 종류의 플라즈마 여기용의 불활성 가스나 도핑 가스가 공급된다. 또한, 요구나 제어 내용 등에 따라서, 제1 가스 공급부(46) 및 제2 가스 공급부(47)로부터 다른 가스를 공급할 수도 있고, 이들의 유량비 등을 조정할 수도 있다. 한편, 이하의 설명에 있어서, 제1 가스 공급부(46)로부터 공급되는 가스를 센터 가스, 제2 가스 공급부(47)로부터 공급되는 가스를 에지 가스라고 하기도 한다.
유지대(34)에는, RF(radio frequency) 바이어스용의 고주파 전원(58)이 매칭 유닛(59)을 통해 유지대(34) 내의 전극에 전기적으로 접속되어 있다. 이 고주파 전원(58)은, 예컨대 13.56 ㎒의 고주파를 소정의 전력(바이어스 파워)으로 출력 가능하다. 매칭 유닛(59)은, 고주파 전원(58)측의 임피던스와, 주로 전극, 플라즈마, 처리 용기(32) 등의 부하측의 임피던스와의 사이에서 정합을 취하기 위한 정합기를 수용하고 있고, 이 정합기 내에 자기(自己) 바이어스 생성용의 블로킹 콘덴서가 포함되어 있다. 또한, 플라즈마 도핑시에 있어서, 이 유지대(34)에의 바이어스 전압의 공급은, 필요에 따라서 적절하게 변경된다. 제어부(28)는, 바이어스 전력 공급 기구로서, 유지대(34)에 공급되는 교류의 바이어스 전력을 제어한다.
유지대(34)는, 정전 척(도시하지 않음)에 의해 그 위에 피처리 기판(W)을 유지할 수 있다. 또한, 유지대(34)는, 가열을 위한 히터(도시하지 않음) 등을 구비하고, 유지대(34)의 내부에 마련된 온도 조정 기구(29)에 의해 원하는 온도로 설정 가능하다. 유지대(34)는, 바닥부(41)의 하방측으로부터 수직 상방으로 연장되는 절연성의 통형상 지지부(51)에 지지되어 있다. 상기 배기 구멍(43)은, 통형상 지지부(51)의 외주를 따라서 처리 용기(32)의 바닥부(41)의 일부를 관통하도록 마련되어 있다. 환형의 배기 구멍(43)의 하방측에는 배기관(도시하지 않음)을 통해 배기 장치(도시하지 않음)가 접속되어 있다. 배기 장치는, 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프를 갖는다. 배기 장치에 의해, 처리 용기(32) 내를 소정의 압력까지 감압할 수 있다. 제어부(28)는, 압력 조정 기구로서, 배기 장치에 의한 배기의 제어 등에 의해, 처리 용기(32) 내의 압력을 조정한다.
플라즈마 발생 기구(39)는 처리 용기(32) 밖에 마련되어 있고, 플라즈마 여기용의 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기(35)를 포함한다. 또한, 플라즈마 발생 기구(39)는, 유지대(34)와 대향하는 위치에 배치되고, 마이크로파 발생기(35)에 의해 발생시킨 마이크로파를 처리 용기(32) 내에 도입하는 유전체 창(36)을 포함한다. 또한, 플라즈마 발생 기구(39)에는, 유전체 창(36)의 상방측에 배치되고, 마이크로파를 유전체 창(36)에 방사하는 복수의 슬롯이 마련된 슬롯 안테나(37)가 포함된다. 또한, 플라즈마 발생 기구(39)는, 슬롯 안테나(37)의 상방측에 배치되고, 후술하는 동축 도파관(56)으로부터 도입된 마이크로파를 직경 방향으로 전파하는 유전체 부재(38)를 포함해도 좋다.
매칭부(53)를 갖는 마이크로파 발생기(35)는, 모드 변환기(54) 및 도파관(55)을 통해, 마이크로파를 도입하는 동축 도파관(56)의 상부에 접속되어 있다. 예컨대, 마이크로파 발생기(35)에서 발생시킨 TE 모드의 마이크로파는, 도파관(55)을 통과하고, 모드 변환기(54)에 의해 TEM 모드로 변환되어, 동축 도파관(56)에서 전파된다. 마이크로파 발생기(35)에서 발생시키는 마이크로파의 주파수로는, 예컨대 2.45 ㎓가 선택된다.
유전체 창(36)은, 대략 원판형이며, 유전체로 구성되어 있다. 유전체 창(36)의 하면(48)의 일부에는, 도입된 마이크로파에 의한 정재파의 발생을 용이하게 하기 위한 테이퍼형으로 움푹 들어간 환형의 오목부(57)가 마련되어 있다. 이 오목부(57)에 의해, 유전체 창(36)의 하부측에 마이크로파에 의한 플라즈마를 효율적으로 생성할 수 있다. 또한, 유전체 창(36)의 구체적인 재질로는, 석영이나 알루미나 등을 들 수 있다.
슬롯 안테나(37)는, 박판형이며 원판형이다. 복수의 슬롯(40)에 관해서는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 각각 소정의 간격을 두고 직교하도록 2개의 슬롯(40)이 한 쌍을 이루어 마련되어 있다. 한 쌍을 이룬 슬롯(40)이 둘레 방향으로 소정의 간격을 두고 마련되어 있다. 또한, 직경 방향에 있어서도, 복수의 한 쌍의 슬롯(40)이 소정의 간격을 두고 마련되어 있다.
마이크로파 발생기(35)에 의해 발생시킨 마이크로파는, 동축 도파관(56)을 통하여 전파된다. 마이크로파는, 내부에 냉매를 순환시키는 순환로(60)를 가지며 유전체 부재(38) 등의 온도 조정을 행하는 냉각 재킷(52)과 슬롯 안테나(37)의 사이에 있는 영역에서 직경 방향 외측을 향하여 방사형으로 퍼져, 슬롯 안테나(37)에 마련된 복수의 슬롯(40)으로부터 유전체 창(36)에 방사된다. 유전체 창(36)을 투과한 마이크로파는, 유전체 창(36)의 바로 아래에 전계를 발생시키고, 처리 용기(32) 내에 플라즈마를 생성시킨다.
플라즈마 도핑 장치(31)에 있어서 마이크로파 플라즈마를 발생시킨 경우, 유전체 창(36)의 하면(48)의 바로 아래, 구체적으로는 유전체 창(36)의 하면(48)의 수 ㎝ 정도 아래에 위치하는 영역에서는, 소위 플라즈마 생성 영역이 형성된다. 그리고, 그 수직 방향 하측에 위치하는 영역에는, 플라즈마 생성 영역에서 생성된 플라즈마가 확산되는 소위 플라즈마 확산 영역이 형성된다.
다음으로, 이러한 플라즈마 도핑 장치를 이용하여, 피처리 기판(W)에 대하여 플라즈마 도핑을 행하는 방법에 관해 설명한다. 도 4는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 도핑 방법의 개략적인 공정을 나타내는 플로우차트이다.
도 4를 참조해 보면, 우선 피처리 기판(W)을 처리 용기(32) 내에 반입[도 4의 (A)]하고, 유지대(34) 상에 유지시킨다. 한편, 피처리 기판(W)으로는, 직경이 300 ㎜인 실리콘 기판이 이용된다. 다음으로, 가스 공급부(33)에 의해 처리 용기(32) 내에 도핑 가스 및 플라즈마 여기용의 가스를 함께 공급하고, 제어부(28)에 의한 압력 조정 기구의 조정에 의해 처리 용기(32) 내의 압력을 원하는 압력으로 조정한다[도 4의 (B)]. 그 후, 마이크로파 발생기(35)에 전력을 투입하여, 마이크로파 플라즈마를 생성하고, 플라즈마 도핑 처리를 행한다[도 4의 (C)]. 그 후, 원하는 도우즈량, 구체적으로는 처리 기판(W)에 주입되는 도펀트의 농도가 1×1013 atoms/㎠ 미만의 소정의 농도가 되는 도우즈량까지 도핑을 행한 후, 플라즈마 발생을 정지하고, 피처리 기판(W)을 처리 용기(32) 밖으로 반출한다[도 4의 (D)]. 이와 같이 하여, 피처리 기판(W)에 대하여, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용한 마이크로파 플라즈마에 의한 도핑 처리를 행한다.
또한, 구체적인 프로세스 조건으로는, 처리 용기(32) 내의 압력을 100 mTorr 이상 150 mTorr의 범위, 예컨대 150 mTorr의 압력으로 하도록 조정한다. 또한, 도핑 가스로는, 수소(H2)와 디보란(B2H6)의 혼합 가스를 이용하고, 혼합 비율로는 B2H6가 H2의 0.7%가 되도록 혼합된 것이 이용된다. 그리고, 이 혼합 가스와 플라즈마 여기용의 가스인 아르곤(Ar) 가스에 관해서는, 유량비가 혼합 가스 : Ar 가스=1 sccm : 1999 sccm가 되도록 하여, 가스 공급부(33)에 의해 처리 용기(32) 내에 가스를 공급한다. 이 경우, 전체 가스에 대한 붕소(B)의 유량비로서는, 0.7%/2000=0.00035%가 된다. 또한, 마이크로파 발생기(35)에 있어서, 투입되는 전력은 3 ㎾(3000 W)이 채용된다. 또한, 이 경우 도핑에 의해 붕소[Boron(B)]가 주입된다.
이와 같이 하여, 피처리 기판(W)에 대하여 플라즈마 도핑을 행한다. 즉, 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 도핑 장치(31)는, 그 내부에서 피처리 기판(W)에 도펀트를 주입시키는 처리 용기(32)와, 처리 용기(32) 내에 도핑 가스 및 플라즈마 여기용의 불활성 가스를 공급하는 가스 공급부(33)와, 처리 용기(32) 내에 배치되고, 그 위에 피처리 기판(W)을 유지하는 유지대(34)와, 마이크로파를 이용하여 처리 용기(32) 내에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 기구(39)와, 처리 용기(32) 내의 압력을 조정하는 압력 조정 기구와, 플라즈마 도핑 장치(31)를 제어하는 제어부(28)를 구비한다. 플라즈마 발생 기구(39)는, 플라즈마 여기용의 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기(35)와, 마이크로파 발생기(35)에 의해 발생시킨 마이크로파를 처리 용기(32) 내에 투과시키는 유전체 창(36)과, 복수의 슬롯(40)이 마련되어 있고, 마이크로파를 유전체 창(36)에 방사하는 레이디얼 라인 슬롯 안테나(37)를 포함한다. 제어부(28)는, 유지대(34) 상에 피처리 기판(W)을 배치시킨 상태로, 처리 용기(32) 내에 가스 공급부(33)에 의해 도핑 가스 및 플라즈마 여기용의 가스를 공급하고, 가스 공급부(33)에 의해 도핑 가스 및 플라즈마 여기용의 가스를 공급한 후에 플라즈마 발생 기구(39)에 의해 플라즈마를 발생시켜 피처리 기판(W)에 도핑을 행하며, 피처리 기판(W)에 주입되는 도펀트의 농도가 1×1013 atoms/㎠ 미만이 되도록 제어한다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 도핑 방법은, 처리 용기(32) 내에 배치된 유지대(34) 상에 피처리 기판(W)을 유지시키는 공정과, 처리 용기(32) 내에 도핑 가스 및 플라즈마 여기용의 가스를 공급하는 가스 공급 공정과, 가스 공급 공정 후에, 처리 용기(32) 내에 플라즈마 여기용의 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기(35), 마이크로파 발생기(35)에 의해 발생시킨 마이크로파를 처리 용기(32) 내에 투과시키는 유전체 창(36), 및 복수의 슬롯(40)이 마련되어 있고, 마이크로파를 유전체 창(36)에 방사하는 레이디얼 라인 슬롯 안테나(37)를 이용하여 처리 용기(32) 내에 플라즈마를 발생시켜, 피처리 기판(W)에 주입되는 도펀트의 농도가 1×1013 atoms/㎠ 미만이 되도록 피처리 기판(W)에 도핑을 행하는 도핑 공정을 포함한다.
이러한 구성에 의하면, 피처리 기판(W)에 주입되는 도펀트의 농도가 1×1013 atoms/㎠ 미만인 저농도의 도핑을 행할 때에, 레이디얼 라인 슬롯 안테나(37)를 이용하여 마이크로파에 의해 플라즈마를 생성하고 있기 때문에, 저전자 온도 및 고전자 밀도의 상태로 도핑을 행할 수 있다. 그렇게 하면, 도핑에 있어서 피처리 기판(W)에 대한 플라즈마 데미지를 저감할 수 있고, 저농도의 도핑을 효율적으로 행할 수 있다. 또한, 레이디얼 라인 슬롯 안테나(37)를 이용한 마이크로파에 의하면, 저압부터 고압까지 폭넓은 압력 환경하에서 플라즈마를 발생시킬 수 있기 때문에, 특히 희석 가스나 플라즈마 여기용의 가스의 종류에 구애될 필요는 없고, 또한 도핑 가스를 처리 용기(32) 내에 공급한 상태로 플라즈마를 발생시키고 나서 도핑을 행할 수 있다. 그렇게 하면, 플라즈마를 발생시키기 전부터 도핑 가스를 처리 용기(32) 내에 공급할 수 있고, 도핑 가스가 처리 용기(32) 내에 균일하게 공급되어 있는 상태로 도핑을 행할 수 있기 때문에, 피처리 기판(W)에서의 도우즈량의 면내 균일성을 높게 할 수 있다. 따라서, 이러한 플라즈마 도핑 장치(31) 및 플라즈마 도핑 방법은, 피처리 기판(W)에 대한 안정된 도핑을 행할 수 있고, 피처리 기판(W)에 대한 도우즈량의 면내 균일성을 높일 수 있다.
이것에 관해 설명한다. 도 5는, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마의 경우, 및 유도 결합에 의해 생성한 플라즈마의 경우의 전자 온도와 유전체 창의 하면으로부터 하방측으로의 거리의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 5에 있어서, 종축은 전자 온도(eV)를 나타내고, 횡축은 유전체 창의 하면으로부터 하방측으로의 거리(㎜)를 나타낸다. 도 6은, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마의 경우, 및 유도 결합에 의해 생성한 플라즈마의 경우의 전자 밀도(cm-3)와 유전체 창의 하면으로부터 하방측으로의 거리의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 6에 있어서, 종축은 전자 밀도(cm-3)를 나타내고, 횡축은 유전체 창의 하면으로부터 하방측으로의 거리(㎜)를 나타낸다. 또한, 플라즈마의 전자 밀도 및 플라즈마의 전자 온도의 계측시에는, 랭뮤어 프로브법에 의해 행하고 있다. 이 경우, 프로세스 조건으로는, 가스 유량을 Ar/N2=400/40 sccm, 압력을 90 mTorr로 하고 있다. 또한, 공급하는 전력으로는, ICP의 경우 1500 W로 하고, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마의 경우 2000 W로 하고 있다. 도 5 및 도 6, 후술하는 도 7 및 도 8에 있어서, 검은 마름모꼴은, 유도 결합에 의해 생성한 플라즈마의 경우를 나타내고, 검은 삼각형 및 검은 사각형은, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마의 경우를 나타낸다.
도 5 및 도 6을 참조해 보면, 전자 온도에 관해서는, 유도 결합에 의해 생성한 플라즈마의 경우, 도 5에서의 측정 범위에 있어서, 유전체 창의 하면으로부터의 거리에 따라 거의 변하지 않고, 대략 2.0 eV 이상의 전자 온도를 갖는다. 이러한 전자 온도는 비교적 높은 것이며, 플라즈마 처리시에 있어서 피처리 기판에 데미지를 줄 우려가 있다. 이에 비해, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마의 경우, 도 5에서의 측정 범위에 있어서, 유전체 창의 하면으로부터의 거리에 따라 거의 변하지 않고, 대략 1.5 eV 정도의 전자 온도를 갖는다. 이러한 소위 저전자 온도라면, 플라즈마 처리시에 있어서, 피처리 기판에 데미지를 주지 않고, 플라즈마 처리를 행할 수 있다. 즉, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마의 경우, 전자 온도에 관해서는, 일반적인 특징으로서 유전체 창의 바로 아래를 제외하고, 유전체 창의 하면으로부터의 거리에 그다지 좌우되지 않으며, 비교적 낮은 전자 온도로 플라즈마 처리를 행할 수 있다.
또한, 전자 밀도에 관해서는, 유도 결합에 의해 생성한 플라즈마의 경우, 유전체 창의 하면으로부터 멀어짐에 따라서 전자 밀도가 높아지고, 하면의 거리가 50 ㎜일 때에 피크에 도달한다. 그 후, 유전체 창의 하면으로부터 멀어짐에 따라서 서서히 감소하고 있다. 이에 비해, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마의 경우, 유전체 창의 하면으로부터의 거리가 멀어짐에 따라, 전자 밀도가 서서히 감소해 간다. 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마의 경우, 유전체 창의 하면 부근에 있어서 생성된 플라즈마가, 처리 용기 내에 있어서 확산되어 가는 것을 파악할 수 있다. 따라서, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마의 경우, 요구되는 처리 효율에 따라서, 유전체 창의 하면으로부터의 거리를 조정하여, 플라즈마 처리를 행하면 된다. 또한, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마의 경우, 전자 밀도에 관해서는, 상기 150 ㎜까지의 범위에 있어서는 적어도 2.0×1011 ㎝-3 정도를 갖기 때문에, 효율적인 처리를 행함에 있어서 문제가 없는 레벨이다.
도 7은, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마의 경우, 및 유도 결합에 의해 생성한 플라즈마의 경우의 공급하는 전력(W)과 전자 온도(eV)의 관계를 나타내는 그래프이다. 종축은 전자 온도(eV)를 나타내고, 횡축은 공급 전력(W)을 나타낸다. 도 8은, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마의 경우, 및 유도 결합에 의해 생성한 플라즈마의 경우의 공급하는 전력(W)과 전자 밀도(cm-3)의 관계를 나타내는 그래프이다. 종축은 전자 밀도(cm-3)를 나타내고, 횡축은 공급 전력(W)을 나타낸다. 또한, 이들에 관해서도, 랭뮤어 프로브 방식을 채용하여, 유전체 창의 하면으로부터 하방측으로 100 ㎜의 위치에, 프로브를 위치시켜 계측하고 있다. 또한, 프로세스 조건으로서, N2 가스를 이용하고, 압력을 20 mTorr로 하고 있다.
도 7 및 도 8을 참조해 보면, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마의 전자 온도가, 유도 결합에 의해 생성한 플라즈마의 전자 온도보다 낮아지는 것이 나타나 있다. 구체적으로는, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마의 경우, 공급 전력을 1300 W~3000 W까지 추이(推移)시켰을 때에, 전자 온도는 대략 1.3 eV~1.6 eV의 사이를 추이하고 있다. 이에 비해, 유도 결합에 의해 생성한 플라즈마의 경우, 공급 전력을 700 W~2000 W까지 추이시켰을 때에, 전자 온도는 대략 2.3 eV~2.5 eV의 사이를 추이하고 있다. 즉, 어떠한 공급 전력을 채택했다 하더라도, 유도 결합에 의해 생성한 플라즈마의 경우, 전자 온도는 적어도 2.0 eV보다 작아지지는 않는다. 이에 비해, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마의 경우, 공급 전력을 다소 크거나 작게 하더라도, 전자 온도는 1.5 eV 정도가 된다.
한편, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마의 전자 밀도와, 유도 결합에 의해 생성한 플라즈마의 전자 밀도 모두, 공급하는 마이크로파 전력의 값이 커지면 높아진다. 그러나, 동일한 공급 전력으로 비교했을 때에, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마의 전자 밀도가, 유도 결합에 의해 생성한 플라즈마의 전자 밀도보다 높다. 예컨대, 2000 W의 전력을 공급했을 때, 유도 결합에 의해 생성한 플라즈마의 전자 밀도는 약 5.0×1010(cm-3)인데 비하여, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마의 전자 밀도는 약 1.2×1011(cm-3)이다.
여기서, 플라즈마 처리시의 실리콘 기판에 대한 데미지에 관해 설명한다. 플라즈마 처리시에 있어서는, 도핑을 행하는 경우와 에칭을 행하는 경우에, 실리콘 기판과 다른 층의 계면에서의 반응 시스템은 동등하다고 고려된다. 따라서, 여기서는, 유도 결합에 의해 생성한 플라즈마에 의해 에칭을 행한 경우와, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마에 의해 에칭을 행한 경우를 이용하여 설명한다.
도 9는, 유도 결합에 의해 생성한 플라즈마에 의해 에칭을 행한 경우의 실리콘 기판의 일부를 확대하여 나타내는 TEM 사진이다. 도 10은, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마에 의해 에칭을 행한 경우의 실리콘 기판의 일부를 확대하여 나타내는 TEM 사진이다. 도 9 및 도 10에 있어서, 상층이 카본층(61), 하층이 실리콘 기판(62)이 되고, 카본층(61)과 실리콘 기판(62) 사이의 산화막층(63)이 에칭이 행해진 영역이다.
도 9를 참조해 보면, 유도 결합에 의해 생성한 플라즈마에 의해 에칭을 행한 경우에 관해서는, 실리콘 기판(62) 내에 있어서, 영역(64)에 나타낸 바와 같이, 다소의 결정 결함이 보인다. 또한, 실리콘 기판(62)측과 카본층(61)측에 있어서 각각 영역(65, 66)에 나타내는 플라즈마에 의한 데미지층이 형성되어 있다. 즉, 플라즈마에 의한 데미지가 발생하고 있는 것을 파악할 수 있다. 이 도 9에 나타내는 TEM 사진으로부터, 유도 결합에 의해 생성한 플라즈마에 의한 에칭과 동등하게, 유도 결합에 의해 생성한 플라즈마에 의한 도핑에 있어서도, 플라즈마에 의한 데미지가 발생하고 있다고 추찰(推察)된다.
이에 비해, 도 10을 참조하면, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마에 의해 에칭을 행한 경우, 카본층(67), 실리콘 기판(68), 산화막층(69)에 있어서, 결정 결함 및 데미지층이 보이지 않는다. 즉, 플라즈마에 의한 데미지가 발생하지 않은 것을 파악할 수 있다. 이 도 10에 나타내는 TEM 사진으로부터, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마에 의한 에칭과 동등하게, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마에 의한 도핑에 있어서도, 플라즈마에 의한 데미지가 발생하지 않고 있다고 추찰된다.
여기서, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마에 의해 도핑을 행한 경우의 붕소의 도우즈량과 도핑 시간의 관계를 나타내는 그래프를, 도 11 및 도 12에 나타낸다. 도 11 및 도 12에 있어서, 종축은 각각 붕소의 도우즈량(atoms/㎠)을 나타내고, 횡축은 각각 도핑 시간(초)을 나타낸다. 또한, 도 11에 나타내는 경우의 프로세스 조건으로는, 압력을 150 mTorr로 하고, 유량비를 혼합 가스(B2H6의 함유량이 He의 0.7%) : He 가스=1 sccm : 999 sccm으로 하며, 공급 전력을 3 ㎾로 하고, 제1 가스 공급부(센터 가스)와 제2 가스 공급부(에지 가스)의 공급 비율을 20 : 80으로 하며, 바이어스 전력을 0 W, 즉 바이어스 전력을 인가하지 않는 조건으로 하고 있다. 또한, 도 12에 나타내는 경우의 프로세스 조건으로는, 압력을 60 mTorr로 하고, 유량비를 혼합 가스(B2H6의 함유량이 He의 0.7%) : He 가스=0.5 sccm : 499 sccm으로 하며, 공급 전력을 3 ㎾로 하고, 제1 가스 공급부(센터 가스)와 제2 가스 공급부(에지 가스)의 공급 비율을 30 : 70으로 하며, 바이어스 전력을 600 W로 하고 있다. 또한, 도우즈량의 측정에 관해서는, 모두 SIMS(Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer)(이차 이온 질량 분석계)에 의해 행하고 있다. 또한, 도우즈량의 값은, 직경 300 ㎜의 원판형의 피처리 기판(W)에서의 중앙부, 즉 피처리 기판(W)의 중심에서의 값이다.
도 11을 참조해 보면, 바이어스 전력을 인가하지 않은 경우, 도핑 시간이 20초라 하더라도, 도우즈량은 약 4.0×1012(atoms/㎠)이고, 도핑 시간이 60초에 도달했을 때, 도우즈량이 약 1.1×1013(atoms/㎠)이 된다. 즉, 도핑 시간을 60초 이내의 범위로 선택함으로써, 저농도의 도핑, 구체적으로는 1.0×1012(atoms/㎠) 규모의 도핑을 행할 수 있다.
또한, 도 12를 참조해 보면, 바이어스 전력을 600 W 인가한 경우, 도핑 시간이 5초이면, 도우즈량은 약 3.3×1012(atoms/㎠)이고, 16초에 도달하면, 도우즈량이 약 9.7×1012(atoms/㎠)이 된다. 즉, 바이어스 전력을 600 W 인가한 경우에 있어서는, 도핑 시간을 16초 이내의 범위로 선택함으로써, 1.0×1012(atoms/㎠) 규모의 도핑을 행할 수 있다.
또한, 도핑에 의한 면내 균일성에 관해서는 이하와 같다. 도 12의 경우에 있어서, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마에 의해 도핑을 행한 원판형의 피처리 기판(W)의 중심으로부터 145 ㎜의 위치에 있어서 단부의 도우즈량을 상기와 마찬가지로, 즉 원판형의 피처리 기판(W)의 중앙부와 마찬가지로 측정했다.
도핑 시간이 10초인 경우, 중앙부의 도우즈량은 6.04×1012(cm-3)이고, 피처리 기판(W)의 중심으로부터 145 ㎜의 위치에 있어서 단부의 도우즈량은 5.29×1012(cm-3)였다. 또한, 도핑 시간이 16초인 경우, 중앙부의 도우즈량은 9.67×1012(cm-3)이고, 피처리 기판(W)의 중심으로부터 145 ㎜의 위치에 있어서 단부의 도우즈량은 8.09×1012(cm-3)였다. 즉, 피처리 기판(W)의 중앙부와 단부에 있어서 도우즈량의 차가 거의 없었다. 이에 따라, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마에 의해, 도핑에서의 높은 면내 균일성이 확보되어 있는 것을 파악할 수 있다.
여기서, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마에 의해 도핑을 행한 경우에 있어서, 처리 용기 내에서의 붕소의 발광 강도의 시간 적분치와 도핑 시간의 관계를 나타내는 그래프를, 도 13에 나타낸다. 도 13 중, 종축은 붕소의 발광 강도의 시간 적분치를 나타내고, 횡축은 도핑 시간(초)을 나타낸다. 붕소의 발광 강도의 시간 적분치에 관해서는, OES(Optical Emission Spectroscopy) 계측에 의해 행했다. 즉, 붕소의 발광을 나타내는 파장인 249 ㎚~250 ㎚의 발광 피크값을 계측하여, 시간으로 적분한 것을 이용했다. OES 계측에 관해서는, 계측기를 처리 용기(32) 내에 삽입하여 실시간으로 행했다. 또한, 도 13에 있어서는, 도핑 가스로서 공급되는 혼합 가스 중, Ar에 대한 B2H6/H2의 유량비가 1 sccm인 것을 흰 원으로 나타내고, Ar에 대한 B2H6/H2의 유량비가 2 sccm인 것을 검은 원으로 나타내며, Ar에 대한 B2H6/H2의 유량비가 3 sccm인 것을 흰 삼각형으로 나타내고 있다.
도 13을 참조하면, 모든 유량비의 경우에서 붕소의 발광 강도의 시간 적분치와 도핑 시간이 거의 비례관계를 갖는 것을 파악할 수 있다. 즉, 도핑 시간이 경과함에 따라, 붕소의 발광 강도의 시간 적분치가 선형으로 증가하는 것을 파악할 수 있다. 또한, 혼합 가스, 즉 B2H6/H2 가스의 유량비가 많으면, 단시간에 붕소의 발광 강도의 시간 적분치가 증가하는 것도 파악할 수 있다. 따라서, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마에 의해 도핑을 행하는 경우, 도핑 시간을 관리함으로써, 어느 정도 도우즈량을 조정할 수 있다. 즉, 도핑 시간을 조정하여 도펀트의 농도를 제어할 수 있다.
또한, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마에 의해 도핑을 행한 경우에 있어서, 도핑 시간과 아르곤의 발광 강도와 붕소의 발광 강도의 관계를 나타내는 그래프를 도 14에 나타낸다. 도 14에 있어서, 좌측 종축은 아르곤의 발광 강도를 나타내고, 우측 종축은 붕소의 발광 강도를 나타내며, 횡축은 도핑 시간(초)을 나타낸다. 또한, 이들 발광 강도의 측정에 관해서도, OES 분석에 의해 행하고 있다. 프로세스 조건으로는, 압력을 150 mTorr로 하고, 유량비를 혼합 가스(B2H6의 함유량이 H2의 0.7%) : Ar 가스=2 sccm : 998 sccm으로 하며, 제1 가스 공급부(센터 가스)와 제2 가스 공급부(에지 가스)의 공급 비율을 20 : 80으로 하고, 공급 전력을 3 ㎾로 하며, 바이어스 전력을 0 W(즉, 바이어스 전력을 인가하지 않는 조건)로 하고 있다. 또한, 아르곤의 발광 강도의 대표적인 기준의 피크에 관해서는, 404.4 ㎚로 하고 있다. 또한, 도 14 중에 있어서는, 시간을 10초, 20초, 40초, 60초로 한 경우 각각에 관해 플롯하고 있다. 도 14 중, 좌측 종축에 나타내는 10초 후의 값이 2.0×104 미만인 것이, 아르곤의 발광 강도의 대표적인 피크인 404.4 ㎚를 나타내는 것이며, 위로부터 순서대로 가는 실선으로 나타내는 10초, 가는 점선으로 나타내는 20초, 가는 일점쇄선으로 나타내는 40초, 가는 이점쇄선으로 나타내는 60초의 경우를 나타낸다. 또한, 도 14 중, 우측 종축에 나타내는 10초 후의 값이 2.0×103 이상인 것이, 붕소의 발광 강도의 대표적인 피크인 249.8 ㎚를 나타내는 것이며, 위로부터 순서대로 굵은 실선으로 나타내는 10초, 굵은 점선으로 나타내는 20초, 굵은 일점쇄선으로 나타내는 40초, 굵은 이점쇄선으로 나타내는 60초의 경우를 나타낸다.
도 14를 참조해 보면, 붕소 및 아르곤 모두에 있어서, 플라즈마를 발생시켰을 때에 발광 강도가 상승하여, 3초 정도에서 거의 최대가 되고, 그 후 60초에 이를 때까지 일정한 값이 된다. 이 현상에 관해 고찰하면 이하와 같다. 즉, 예컨대, 유도 결합에 의해 발생시킨 플라즈마에 있어서는, OES 계측에 의해 계측된 처리 용기 내에서의 붕소 및 아르곤의 발광 강도에 관해서, 플라즈마가 안정되지 않은 경우나 플라즈마 중의 고에너지 이온이 처리 용기 내에 많이 조사(照射)된 경우, 처리 용기의 내벽에 흡착된 프로세스 가스의 성분이 플라즈마 조사에 의해 다시 여기 가스로서 플라즈마 중에 방출되기 때문에, 안정되지 않고서 시간의 경과와 함께 불안정하게 증가 경향을 나타내는 것이다. 그러나, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마에 있어서는, 이러한 불안정하게 증가하는 경향이 보이지 않기 때문에, 처리 용기 내에 있어서, 안정적으로 플라즈마가 발생하고 있는 것을 파악할 수 있다.
도 15는, 붕소의 발광 강도의 적분치와 붕소의 도우즈량의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 15에 있어서, 종축은 붕소의 발광 강도의 적분치를 나타내고, 횡축은 붕소의 도우즈량(atoms/㎠)을 나타낸다. 이 도우즈량에 관해서는, 후술하는 도 16에 나타내는 경우도 마찬가지로, SIMS에 의해 계측한 것이다. 또한, 도 15 및 후술하는 도 16에 있어서, 점 70a는 도핑 시간이 10초인 경우, 점 70b는 도핑 시간이 20초인 경우, 점 70c는 도핑 시간이 40초인 경우를 나타낸다.
도 15를 참조해 보면, 붕소의 발광 강도의 적분치와 붕소의 도우즈량의 관계에 관해서는, 거의 비례관계를 갖는 것을 파악할 수 있다. 즉, 도우즈량이 증가함에 따라, 붕소의 발광 강도의 시간 적분치가 증가하여, 선형으로 증가하는 상관관계를 갖는 것을 파악할 수 있다.
또한, 붕소의 발광 강도의 적분치에 대한 아르곤의 발광 강도의 적분치의 비, 즉 붕소의 발광 강도의 적분치를 아르곤의 발광 강도의 적분치로 규격화한 것에 관해서는 이하와 같다. 도 16은, 붕소의 발광 강도의 적분치에 대한 아르곤의 발광 강도의 적분치의 비와 붕소의 도우즈량의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 16에 있어서, 종축은 붕소의 발광 강도의 적분치에 대한 아르곤의 발광 강도의 적분치의 비를 나타내고, 횡축은 붕소의 도우즈량(atoms/㎠)을 나타낸다.
도 16을 참조해 보면, 붕소의 발광 강도의 적분치에 대한 아르곤의 발광 강도의 적분치의 비와 붕소의 도우즈량의 관계에 관해서도, 거의 비례관계를 갖는 것을 파악할 수 있다. 즉, 붕소의 발광 강도의 경우와 마찬가지로, 도우즈량이 증가함에 따라, 붕소의 발광 강도의 적분치에 대한 아르곤의 발광 강도의 적분치의 비도 증가하여, 선형으로 증가하는 상관관계를 갖는 것을 파악할 수 있다. 이 규격화한 값에 관해서는, 이하의 경우에 유효하게 이용할 수 있다. 즉, 상기 경우에 있어서는, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마에 의해 피처리 기판(W)에 도핑을 행할 때에, 바이어스 전력을 부여하지 않은 경우, 원소로서의 실리콘의 발광 강도가 거의 무시할 수 있는 레벨이며, 붕소의 파장과 크게 상이한 것으로 되어 있다. 그러나, 바이어스 전력을 부여한 경우, 실리콘의 발광 강도가 커져, 실리콘의 발광 강도의 파장과 붕소의 발광 강도의 파장이 겹치게 된다. 이러한 경우, 아르곤의 발광 강도의 적분치에 의해 규격화한 값을 이용하면, 실리콘의 영향을 작게 할 수 있어, 보다 정확한 도우즈량의 조정을 행할 수 있다고 고려된다.
또한, 상기 붕소의 발광 강도와 도우즈량의 상관관계 등을 근거로 하여, 플라즈마 도핑 장치(31)는, 피처리 기판(W)에 주입되는 도펀트의 도우즈량을 계측하는 도우즈량 계측 기구를 구비하고, 제어부(28)는, 도우즈량 계측 기구에 의해 피처리 기판(W)에 주입되는 도펀트의 도우즈량이 원하는 양에 도달했다고 판단되면, 피처리 기판(W)에 대한 도핑을 정지하도록 제어하도록 구성해도 좋다.
이 경우, 도우즈량을 계측하는 도우즈량 계측 기구는, 처리 용기(32) 내에 있는 원소, 예컨대 붕소나 아르곤의 발광 강도를 계측하는 발광 강도 계측 장치를 포함하는 것으로 해도 좋다. 이 경우, 발광 강도 계측 장치에 의해 계측한 처리 용기(32) 내에 있는 원소의 발광 강도를 기초로, 도펀트의 도우즈량이 원하는 값에 도달했다고 판단하도록 구성한다. 또한, 플라즈마 도핑 방법에 있어서, 피처리 기판(W)에 주입되는 도펀트의 도우즈량을 계측하여, 피처리 기판(W)에 주입되는 도펀트의 도우즈량이 원하는 양에 도달했다고 판단되면, 피처리 기판(W)에 대한 도핑을 정지하도록 제어하는 정지 공정을 포함하도록 구성해도 좋다.
여기서, 도우즈량(atoms/㎠)에 관해서는, 도핑 가스 중에 포함되는 붕소의 플럭스(atoms/초ㆍ㎠)×도핑 시간(초)에 의해 산출되지만, 도우즈량은, 도우즈/발광 강도의 적분치를 나눈 값인 k로 한 상수×붕소의 발광 강도×도핑 시간(초)에 의해 산출된다.
또한, 도펀트의 도우즈량의 측정에 관해서는, 원소의 발광 강도의 측정에 한정되지 않고, 다른 방법을 이용하는 것으로 해도 좋다.
여기서, 도펀트의 농도가 1×1013 atoms/㎠ 미만과 같은 저농도의 도핑이 요구되는 경우에 한정되지 않고, 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 생성한 마이크로파 플라즈마에 의해 도핑을 행하는 경우, 도핑에서의 도우즈량에 관해서는, 이하에 있어서, 요구되는 값에 용이하게 근접시킬 수 있다.
도 17은, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 플라즈마 도핑 장치의 주요부를 나타내는 개략 단면도이다. 도 17은, 도 2에 나타내는 단면에 상당한다. 도 17에 나타내는 플라즈마 도핑 장치(71) 중, 도 2에 나타내는 플라즈마 도핑 장치(31)와 동일한 구성에 관해서는 동일한 부호를 붙이고, 이들의 설명을 생략한다.
도 17을 참조해 보면, 플라즈마 도핑 장치(71)에는, 처리 용기(32) 내에 배치 가능한 도시하지 않은 프로브를 가지며, 처리 용기(32) 내에 존재하는 원소의 발광 강도를 계측하는 발광 강도 계측 장치(72)가 마련되어 있다. 또한, 발광 강도 계측 장치(72)는, 처리 용기(32) 내에 존재하는 원소에 관해서, 시간의 경과에 따라 누적되는 발광 강도의 적분치도 계측할 수 있다.
즉, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 플라즈마 도핑 장치(71)는, 그 내부에서 피처리 기판(W)에 도펀트를 주입시키는 처리 용기(32)와, 처리 용기(32) 내에 도핑 가스 및 플라즈마 여기용의 불활성 가스를 공급하는 가스 공급부(33)와, 처리 용기(32) 내에 배치되고, 그 위에 피처리 기판(W)을 유지하는 유지대(34)와, 마이크로파를 이용하여 처리 용기(32) 내에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 기구(39)와, 처리 용기(32) 내의 압력을 조정하는 압력 조정 기구와, 피처리 기판(W)에 주입되는 도펀트의 도우즈량을 계측하는 발광 강도 계측 장치(도우즈량 계측 기구)(72)와, 플라즈마 도핑 장치(71)를 제어하는 제어부(28)를 구비한다. 플라즈마 발생 기구(39)는, 플라즈마 여기용의 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기(35)와, 마이크로파 발생기(35)에 의해 발생시킨 마이크로파를 처리 용기(32) 내에 투과시키는 유전체 창(36)과, 복수의 슬롯(40)이 마련되어 있고, 마이크로파를 유전체 창(36)에 방사하는 레이디얼 라인 슬롯 안테나(37)를 포함한다. 제어부(28)는, 유지대(34) 상에 피처리 기판(W)을 배치시킨 상태로, 처리 용기(32) 내에 가스 공급부(33)에 의해 도핑 가스 및 플라즈마 여기용의 가스를 공급하고, 가스 공급부(33)에 의해 도핑 가스 및 플라즈마 여기용의 가스를 공급한 후에 플라즈마 발생 기구(39)에 의해 플라즈마를 발생시켜 피처리 기판(W)에 도핑을 행하며, 발광 강도 계측 장치(도우즈량 계측 기구)(72)에 의해 계측된 도우즈량이 소정의 값에 도달하면, 도핑을 정지하도록 제어한다.
또한, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 플라즈마 도핑 방법은, 처리 용기(32) 내에 배치된 유지대(34) 상에 피처리 기판(W)을 유지시키는 공정과, 처리 용기(32) 내에 도핑 가스 및 플라즈마 여기용의 가스를 공급하는 가스 공급 공정과, 가스 공급 공정 후에, 처리 용기(32) 내에 플라즈마 여기용의 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기(35), 마이크로파 발생기(35)에 의해 발생시킨 마이크로파를 처리 용기(32) 내에 투과시키는 유전체 창(36), 및 복수의 슬롯(40)이 마련되어 있고, 마이크로파를 유전체 창(36)에 방사하는 레이디얼 라인 슬롯 안테나(37)를 이용하여 처리 용기(32) 내에 플라즈마를 발생시켜, 피처리 기판(W)에 도핑을 행하는 도핑 공정과, 도핑 공정에 의해 피처리 기판(W)에 주입되는 도펀트의 도우즈량을 계측하는 도우즈량 계측 공정을 포함한다.
이러한 플라즈마 도핑 장치에 의하면, 피처리 기판에 대한 안정된 도핑을 행할 수 있고, 피처리 기판에 대한 도우즈량의 면내 균일성을 높일 수 있으며, 또한 임의의 도우즈량을 보다 정확하게 도핑할 수 있다.
또한, 상기 실시형태에 있어서는, 플라즈마 도핑 방법 및 플라즈마 도핑 장치에 의해 제조되는 반도체 소자를, FinFET형 반도체 소자로 했지만, 이것에 한정되지 않고, 예컨대 MOS형 반도체 소자를 제조하는 경우에서의 도핑을 행할 때에도 유효하게 이용된다.
또한, 상기 실시형태에 있어서는, 도핑 가스로서 B2H6를 이용하는 것으로 했지만, 이것에 한정되지 않고, BF3를 이용하는 것으로 해도 좋다. 즉, 도핑 가스는, B2H6 및 BF3 중의 적어도 어느 하나를 포함하도록 구성해도 좋다. 또한, 도펀트로서 비소나 인, 불소 등의 다른 원소의 도핑을 행하는 경우, 예컨대, PH3, AsH3, GeH4, CH4, NH3, NF3, N2, HF 및 SiH4를 포함하는 군에서 선택되는 적어도 1종의 가스를 포함하도록 구성해도 좋다.
또한, 상기 실시형태에 있어서는, 플라즈마 여기용의 불활성 가스는, He를 이용하는 것으로 했지만, 이것에 한정되지 않고, He, Ne, Ar, Kr, Xe를 포함하는 군에서 선택되는 적어도 1종의 가스를 포함하도록 구성해도 좋다.
또한, 상기 실시형태에 있어서는, 피처리 기판으로서 실리콘 기판을 이용하는 것으로 했지만, 이것에 한정되지 않고, 예컨대 층간막에서의 도핑을 행할 때에도 충분히 적용할 수 있는 것이다.
또한, 상기 실시형태에 있어서, 플라즈마 도핑 장치는, 유전체 부재를 포함하는 구성으로 했지만, 이것에 한정되지 않고, 유전체 부재를 포함하지 않는 구성으로 해도 좋다.
이상, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명했지만, 본 발명은, 도시한 실시형태에 한정되지 않는다. 도시한 실시형태에 대하여, 본 발명과 동일한 범위 내에 있어서, 혹은 균등한 범위 내에 있어서, 여러 수정이나 변형을 가하는 것이 가능하다.
11 : FinFET형 반도체 소자 12, 62, 68 : 실리콘 기판
13 : 주표면 14 : 핀
15 : 게이트 16 : 소스
17 : 드레인 28 : 제어부
29 : 온도 조정 기구 31, 71 : 플라즈마 도핑 장치
32 : 처리 용기 33, 46, 47 : 가스 공급부
34 : 유지대 35 : 마이크로파 발생기
36 : 유전체 창 37 : 슬롯 안테나
38 : 유전체 부재 39 : 플라즈마 발생 기구
40 : 슬롯 41 : 바닥부
42 : 측벽 43 : 배기 구멍
44 : 덮개부 45 : O링
48 : 하면 49 : 가스 공급 시스템
30, 50 : 가스 공급 구멍 51 : 통형상 지지부
52 : 냉각 재킷 53 : 매칭부
54 : 모드 변환기 55 : 도파관
56 : 동축 도파관 57 : 오목부
58 : 고주파 전원 59 : 매칭 유닛
60 : 순환로 61, 67 : 카본층
63, 69 : 산화막층 64, 65, 66 : 영역
70a, 70b, 70c : 점 72 : 발광 강도 계측 장치

Claims (16)

  1. 피처리 기판에 도펀트를 주입하여 도핑을 행하는 플라즈마 도핑 장치로서,
    그 내부에서 피처리 기판에 도펀트를 주입시키는 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에 도핑 가스 및 플라즈마 여기용의 불활성 가스를 공급하는 가스 공급부와,
    상기 처리 용기 내에 배치되고, 그 위에 상기 피처리 기판을 유지하는 유지대와,
    마이크로파를 이용하여 상기 처리 용기 내에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 기구와,
    상기 처리 용기 내의 압력을 조정하는 압력 조정 기구와,
    상기 플라즈마 도핑 장치를 제어하는 제어부
    를 구비하고, 상기 플라즈마 발생 기구는, 플라즈마 여기용의 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기와, 상기 마이크로파 발생기에 의해 발생시킨 마이크로파를 상기 처리 용기 내에 투과시키는 유전체 창과, 복수의 슬롯이 마련되어 있으며, 상기 마이크로파를 상기 유전체 창에 방사하는 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 유지대 상에 상기 피처리 기판을 배치시킨 상태로, 상기 처리 용기 내에 가스 공급부에 의해 도핑 가스 및 플라즈마 여기용의 가스를 공급하며, 상기 가스 공급부에 의해 상기 도핑 가스 및 상기 플라즈마 여기용의 가스를 공급한 후에 상기 플라즈마 발생 기구에 의해 플라즈마를 발생시켜 상기 피처리 기판에 도핑을 행하고, 상기 피처리 기판에 주입되는 도펀트의 농도가 1×1013 atoms/㎠ 미만이 되도록 제어하는 것인 플라즈마 도핑 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 피처리 기판에 주입되는 도펀트의 도우즈량을 계측하는 도우즈량 계측 기구를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 도우즈량 계측 기구에 의해 상기 피처리 기판에 주입되는 도펀트의 도우즈량이 원하는 양에 도달했다고 판단되면, 상기 피처리 기판에 대한 도핑을 정지하도록 제어하는 것인 플라즈마 도핑 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 도우즈량 계측 기구는, 상기 처리 용기 내에 있는 원소의 발광 강도를 계측하는 발광 강도 계측 장치를 포함하고, 상기 발광 강도 계측 장치에 의해 측정된 상기 처리 용기 내에 있는 원소의 발광 강도를 기초로, 도펀트의 도우즈량이 상기 원하는 양에 도달했다고 판단하는 것인 플라즈마 도핑 장치.
  4. 피처리 기판에 도펀트를 주입하여 도핑을 행하는 플라즈마 도핑 장치로서,
    그 내부에서 피처리 기판에 도펀트를 주입시키는 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에 도핑 가스 및 플라즈마 여기용의 불활성 가스를 공급하는 가스 공급부와,
    상기 처리 용기 내에 배치되고, 그 위에 상기 피처리 기판을 유지하는 유지대와,
    마이크로파를 이용하여 상기 처리 용기 내에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 기구와,
    상기 처리 용기 내의 압력을 조정하는 압력 조정 기구와,
    상기 피처리 기판에 주입되는 도펀트의 도우즈량을 계측하는 도우즈량 계측 기구와,
    상기 플라즈마 도핑 장치를 제어하는 제어부
    를 구비하고, 상기 플라즈마 발생 기구는, 플라즈마 여기용의 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기와, 상기 마이크로파 발생기에 의해 발생시킨 마이크로파를 상기 처리 용기 내에 투과시키는 유전체 창과, 복수의 슬롯이 마련되어 있으며, 상기 마이크로파를 상기 유전체 창에 방사하는 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 유지대 상에 상기 피처리 기판을 배치시킨 상태로, 상기 처리 용기 내에 가스 공급부에 의해 도핑 가스 및 플라즈마 여기용의 가스를 공급하며, 상기 가스 공급부에 의해 상기 도핑 가스 및 상기 플라즈마 여기용의 가스를 공급한 후에 상기 플라즈마 발생 기구에 의해 플라즈마를 발생시켜 상기 피처리 기판에 도핑을 행하고, 상기 도우즈량 계측 기구에 의해 계측된 도우즈량이 정해진 값에 도달하면, 상기 도핑을 정지하도록 제어하는 것인 플라즈마 도핑 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 도우즈량 계측 기구는, 상기 처리 용기 내에 있는 원소의 발광 강도를 계측하는 발광 강도 계측 장치를 포함하는 것인 플라즈마 도핑 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 처리 용기 내의 압력을 100 mTorr 이상 150 mTorr 이하로 하여 상기 도핑을 행하도록 상기 압력 조정 기구를 제어하는 것인 플라즈마 도핑 장치.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라즈마 여기용의 가스는, He 및 Ar 중의 적어도 어느 하나를 포함하는 것인 플라즈마 도핑 장치.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도핑 가스는, B2H6 및 BF3 중의 적어도 어느 하나를 포함하는 것인 플라즈마 도핑 장치.
  9. 피처리 기판에 도펀트를 주입하여 도핑을 행하는 플라즈마 도핑 방법으로서,
    처리 용기 내에 배치된 유지대 상에 피처리 기판을 유지시키는 공정과,
    상기 처리 용기 내에 도핑 가스 및 플라즈마 여기용의 가스를 공급하는 가스 공급 공정과,
    상기 가스 공급 공정 후에, 상기 처리 용기 내에 플라즈마 여기용의 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기, 상기 마이크로파 발생기에 의해 발생시킨 마이크로파를 상기 처리 용기 내에 투과시키는 유전체 창, 및 복수의 슬롯이 마련되어 있고, 상기 마이크로파를 상기 유전체 창에 방사하는 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 상기 처리 용기 내에 플라즈마를 발생시켜, 상기 피처리 기판에 주입되는 도펀트의 농도가 1×1013 atoms/㎠ 미만이 되도록 상기 피처리 기판에 도핑을 행하는 도핑 공정
    을 포함하는 플라즈마 도핑 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 피처리 기판에 주입되는 도펀트의 도우즈량을 계측하여, 상기 피처리 기판에 주입되는 도펀트의 도우즈량이 원하는 양에 도달했다고 판단되면, 상기 피처리 기판에 대한 도핑을 정지하도록 제어하는 정지 공정을 포함하는 플라즈마 도핑 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 정지 공정은, 상기 처리 용기 내에 있는 원소의 발광 강도를 계측하고,
    측정한 상기 처리 용기 내에 있는 원소의 발광 강도를 기초로, 도펀트의 도우즈량이 상기 원하는 양에 도달했다고 판단하는 것인 플라즈마 도핑 방법.
  12. 피처리 기판에 도펀트를 주입하여 도핑을 행하는 플라즈마 도핑 방법으로서,
    처리 용기 내에 배치된 유지대 상에 피처리 기판을 유지시키는 공정과,
    상기 처리 용기 내에 도핑 가스 및 플라즈마 여기용의 가스를 공급하는 가스 공급 공정과,
    상기 가스 공급 공정 후에, 상기 처리 용기 내에 플라즈마 여기용의 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기, 상기 마이크로파 발생기에 의해 발생시킨 마이크로파를 상기 처리 용기 내에 투과시키는 유전체 창, 및 복수의 슬롯이 마련되어 있고, 상기 마이크로파를 상기 유전체 창에 방사하는 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하여 상기 처리 용기 내에 플라즈마를 발생시켜, 상기 피처리 기판에 도핑을 행하는 도핑 공정과,
    상기 도핑 공정에 의해 상기 피처리 기판에 주입되는 도펀트의 도우즈량을 계측하는 도우즈량 계측 공정
    을 포함하는 플라즈마 도핑 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 도우즈량 계측 공정은, 계측한 상기 처리 용기 내에 있는 원소의 발광 강도를 기초로, 상기 도우즈량을 계측하는 것인 플라즈마 도핑 방법.
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 처리 용기 내의 압력을 100 mTorr 이상 150 mTorr 이하로 하여 상기 도핑 공정을 행하는 것인 플라즈마 도핑 방법.
  15. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라즈마 여기용의 가스는, He 및 Ar 중의 적어도 어느 하나를 포함하는 것인 플라즈마 도핑 방법.
  16. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도핑 가스는, B2H6 및 BF3 중의 적어도 어느 하나를 포함하는 것인 플라즈마 도핑 방법.
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