KR20220061233A - 이온 주입을 위한 플라즈마 침지 방법 - Google Patents
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Abstract
특히 주입 공정 동안 가공물로 또한 주입되는 다른 원자 종에 비해 가공물로 주입되는 특정 원자 도펀트 종의 양을 제어하기 위한 목적으로, 다수의 전구체 기체를 사용하는 플라즈마 침지 이온 주입 방법이 기술된다.
Description
하기 설명은, 특히 주입 공정 동안 가공물로 또한 주입되는 다른 원자 종에 비해 가공물로 주입되는 특정 원자 도펀트 종의 양을 제어하기 위한 목적으로, 다수의 전구체 기체를 사용하는 플라즈마 침지 이온 주입 방법에 관한 것이다.
재료 및 반도체 처리 산업에는 고체 물질의 화학 구성에 1종 이상의 추가적인 화학 종을 도입함으로써 고체 물질의 화학 구성을 변경하기 위한 다양한 이유가 있다. 고체 물질의 정렬된 구조에 소량의 상이한 원자 또는 이온을 첨가하는 것은 고체 물질의 재료 특성에 유용하고 중요한 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 반도체 재료의 전도도 특성에 영향을 주기 위해 소량의 도펀트 원자를 반도체 재료에 통상적으로 첨가한다. 강도 또는 내마모성과 같은 기계적 특성을 향상시키기 위해 질소 또는 탄소 원자를 고체 물질에 첨가할 수 있다. 다른 예에서는, 고체 물질의 광학 특성에 영향을 미치기 위해 소량의 불순물을 고체 물질에 첨가할 수 있다.
고체 물질로 도펀트 또는 불순물을 주입하기 위한 하나의 일반적인 기법은 이온 빔 주입이다. 이온 빔 주입 기법은 비교적 순수한 단일 이온 종을 고체 물질에 주입하여, 주입된 물질의 화학적, 광학적, 또는 기계적 특성의 원하는 변경을 야기한다. 전형적인 이온 빔 주입 시스템은 많은 이온 종의 혼합물을 함유하는 이온의 플라즈마를 형성하는 기능을 하는 이온화 챔버를 포함한다. 이온의 혼합물은 이온화 챔버의 오리피스를 통과하고 이온이 전기장에 의해 가속되어 이온 빔을 형성하는 고진공 영역으로 전달된다. 이어서 이온 빔은 질량 분석기를 통과하여 주입을 위한 단일 이온 종을 선택 및 단리한다. 이 방법에 의해, 가공물로의 단일 이온 종의 주입을 위한, 이온 빔이 플라즈마의 이온 종의 혼합물로부터 고 농도의 선택된 이온 종을 포함하도록 형성될 수 있다.
이온 주입을 위한 또 다른 기법은 플라즈마 침지 이온 주입이다. 플라즈마 침지 이온 주입 기법은 챔버에서 플라즈마를 생성하고, 플라즈마는 상이한 화학 이온 종의 혼합물을 함유한다. 가공물은 챔버에 배치되고 이온 종의 혼합물을 함유하는 플라즈마에 의해 둘러싸여 있다. 가공물의 주변에, 예컨대 가공물 아래에 전위를 배치하여, (전위에 대해) 반대 전하를 갖는 플라즈마의 이온이 가공물 쪽으로 가속되어 가공물에 주입되게 한다.
플라즈마 침지 기법을 빔라인 기법과 비교하면 둘 사이에 비용, 복잡성, 및 성능 특징의 균형이 존재한다는 것을 보여준다. 기존의 (빔라인) 이온 주입 처리 챔버는 플라즈마 침지 이온 주입 공정에 의해 주입된 보다 저-에너지 이온과 비교하여, 가공물로 비교적 깊이 침투하는 고 에너지 이온의 이온 빔을 생성한다. 플라즈마 침지 이온 주입 공정에서 제공되는 이온은 일반적으로 동일한 고 에너지를 갖지 않고, 빔라인 주입 방법의 깊이에 비해 감소된 깊이로 전형적으로 주입된다. 따라서, 플라즈마 침지 이온 주입 공정을 수행하는데 필요한 에너지의 양은 빔라인 이온 주입 공정을 수행하는데 필요한 에너지의 양보다 적다. 빔라인 이온 주입 공정으로부터 필요한 더 높은 에너지는 이온에 더 높은 주입 에너지를 제공하여 기판 표면으로부터 더 깊은 영역으로 침투할 수 있지만, 비용 및 작동 복잡성을 추가한다. 이에 반해서, 플라즈마 침지 이온 주입 공정은 RF 전력 (무선 주파수 파워 발생기)을 사용하여 이온을 플라즈마로 해리하고, 이것은 더 적은 에너지 및 감소된 복잡성의 장비를 필요로 한다. 또한, 플라즈마 침지 이온 주입은 비교적 짧은 시간 기간 동안 고용량 주입을 수행할 수 있어, 처리량을 향상시킨다. 따라서, 플라즈마 침지 이온 주입 공정은 빔라인 주입 기법에 비해 특정 저에너지 및 고용량 공정을 위한 경제적으로-효율적인 이온 주입 기법으로 간주될 수 있다.
이온 빔을 제거함으로써 발생하는 성능 차이는 플라즈마 침지 공정에 의해 주입되는 이온 종 및 원자 종의 감소된 선택성이다. 플라즈마 침지 기법은 주입을 위한 플라즈마의 원하는 이온 종을 단리 (선택)하기 위해 여과될 수 있는 이온 빔을 포함하지 않는다. 플라즈마 이온 주입 기법은 주입을 위한, 플라즈마로부터 특정 이온 종을 선택하는데 효과적이지 않다. 공통 전하를 갖는 플라즈마의 모든 이온은 가공물 쪽으로 가속되어 가공물로 주입될 것이며, 이는 다수의 상이한 유형의 이온 종 및 원자 종이 웨이퍼에 주입될 것임을 의미한다. 플라즈마가 원자 종으로서 붕소, 플루오린, 및 수소 원자를 포함하는 이온 종의 혼합물을 포함하는 경우, 일정 양의 붕소, 플루오린, 및 수소가 가공물로 주입될 것이다.
이러한 주입 기법의 비선택적 특성에 기초하여, 플라즈마 침지 기법에 존재하는 중요한 기술적 문제는 가공물에 주입되는 상이한 원자 종의 상대적 양의 부적절한 수준의 제어이다. 제한된 정도로, 주입되는 원자 종의 비는 플라즈마 도구 파라미터 조정에 의해 영향을 받을 수 있다. 그러나 이러한 방식으로 제공될 수 있는 제어의 수준은 제한되기 때문에, 플라즈마 침지 기법을 사용할 때 주입되는 원자 종의 양의 비에 대해 더 양호한 제어를 제공하는 기법에 대한 필요성이 존재한다.
요약
본 발명은 플라즈마 침지 이온 주입 기법을 사용하여 가공물에 주입되는 원자 종 ("주입된 원자 종")의 상대적 양의 개선된 제어를 가능하게 하는 기법을 기술한다. 방법은 플라즈마 침지 이온 주입 공정에 사용되는 플라즈마를 생성하기 위해 둘 이상의 상이한 기상 전구체의 조합을 선택하고 사용하는 것을 포함한다. 기상 전구체의 화학적 조성 및 그의 상대적 양은 주입 공정 동안 가공물에 또한 주입되는 다른 덜 원하는 또는 원하지 않는 원자 종에 비해 증가된 양의 선택된 원자 종 (예를 들어, "도펀트")이 가공물에 주입되도록 선택된다.
한 측면에서, 본 발명은 이온 주입 방법에 관한 것이다. 방법은 챔버 내에서 가공물을 지지하는 단계; 제1 전구체, 및 제1 전구체와 상이한 적어도 1종의 추가적인 전구체를 포함하는 전구체 혼합물로부터 플라즈마를 생성하는 단계로서, 여기서 플라즈마는 적어도 2종의 상이한 플라즈마 이온 종을 포함하고, 적어도 2종의 상이한 플라즈마 이온 종은 선택된 원자 종 및 1종 이상의 추가적인 원자 종을 포함하는 것인 단계를 포함한다. 방법은 또한 적어도 2종의 상이한 플라즈마 이온 종이 가공물 쪽으로 가속되어 선택된 원자 종 및 1종 이상의 추가적인 원자 종이 가공물 표면 상에 주입되도록 가공물에 전위를 인가하는 단계를 포함한다. 적어도 1종의 추가적인 전구체는 증가된 양의 선택된 원자 종이 가공물에 주입되게 한다.
또 다른 측면에서 본 발명은 RF 안테나를 포함하는 플라즈마 발생기, 가공물 지지부, 및 전극을 포함하는 챔버를 포함하는 플라즈마 침지 이온 주입 시스템에 관한 것이다. 시스템은 또한 제1 전구체의 공급원 및 제1 전구체와 상이한 적어도 1종의 추가적인 전구체의 공급원을 포함한다. 시스템은 가공물 지지부 상에 가공물을 지지하고 전구체로부터 플라즈마를 발생시키도록 구성된다. 플라즈마는 적어도 2종의 상이한 플라즈마 이온 종을 포함하고, 2종의 플라즈마 이온 종은 선택된 원자 종 및 1종 이상의 추가적인 원자 종을 포함한다. 시스템은 또한 선택된 원자 종 및 1종 이상의 추가적인 원자 종이 가공물 표면 상에 주입되게 하기 위해 적어도 2종의 상이한 플라즈마 이온 종이 가공물을 쪽으로 가속되도록 구성된다. 적어도 1종의 추가적인 전구체는 증가된 양의 선택된 원자 종이 가공물에 주입되게 한다.
도 1은 설명의 방법에 유용한 예시 플라즈마 침지 이온 주입 도구 및 시스템을 도시한다.
상세한 설명
다음은 둘 이상의 화학적으로 상이한 기상 전구체를 사용하여 플라즈마를 형성하는 플라즈마 침지 이온 주입 기법을 설명한다.
플라즈마 침지 기법은 가공물에 주입되는 플라즈마 혼합물의 이온 종에 대해 비선택적이다. 기법은 일반적으로 다수의 화학적으로 상이한 이온 종의 혼합물을 함유하는 플라즈마로부터 이온 종의 비선택적 주입을 포함한다. 생성된 이온 종의 수 및 유형은 플라즈마를 발생시키는데 사용된 기상 전구체의 화학적 구성에 따라 달라질 것이다. 각각의 이온 종은 하나 또는 다수의 원자 종을 함유할 수 있고, 양전하 또는 음전하를 나타낼 수 있다. 가공물은 챔버에 배치되고 플라즈마의 이온 종의 혼합물에 의해 둘러싸여 있다. 전위는 전위에 대해 반대 전하를 갖는 이온이 가공물 쪽으로 가속되어 가공물에 주입되게 한다. 주입은 상이한 유형의 이온 (공통 전하를 가짐) 및 주입되는 플라즈마에 존재하는 상이한 원자 종의 양에 대해, 비선택적, 즉, 제어되지 않는다. 전위와 반대인 전하를 갖는 플라즈마의 모든 이온 종은 화학적 조성과 상관없이, 가공물로 가속된다.
본 발명에 따르면, 출원인은 플라즈마 침지 이온 주입 기법을 사용하여 가공물에 주입되는 원자 종의 상대적 양의 개선된 제어를 가능하게 하는 기법을 식별하였다. 방법은 플라즈마 침지 이온 주입 기법으로 사용되는 플라즈마를 발생시키기 위해 둘 이상의 화학적으로 상이한 기상 전구체의 조합을 선택하고 사용하는 것을 포함한다. 둘 이상의 상이한 기상 전구체의 화학적 조성, 및 플라즈마를 생성하기 위해 선택되고 사용되는 각각의 상대적 양은 주입 공정 동안 가공물에 또한 주입되는 다른 덜 원하는 또는 원하지 않는 원자 종 ("추가적인 원자 종")에 비해 증가된 양의, 본원에서 "선택된 원자 종"으로 지칭되는, 특히 원하는 원자 종 (예를 들어, "도펀트")이 가공물에 주입되도록 선택되고 제어될 수 있다.
본 설명의 플라즈마 침지 이온 주입 방법은 플라즈마 침지 주입 기법에 의한 주입을 위해 둘 이상의 화학적으로 상이한 기상 전구체로부터 플라즈마를 발생시키는 것을 포함한다. 기상 전구체 중 적어도 하나는, 예를 들어, 가공물의 조성물에 존재하는 경우 도펀트 종으로서 기능하기 위해 가공물로의 주입에 원하는 원자 종 ("선택된" 원자 종)을 포함한다. 기술된 바와 같은 방법은, 특히 가공물에 주입되는 다른 (추가적인) 원자 종의 양에 비해 선택된 원자 종의 많은 양 (백분율)이 주입되게 하기 위해 다른 주입된 원자 종에 비해 가공물로 주입되는 선택된 원자 종의 상대적 양의 개선된 제어를 가능하게 한다.
기술된 바와 같은 방법의 두 가지 특정 (비제한적) 예에 기초하여, 가공물로 주입되는 원자 종은 붕소, 플루오린, 또는 붕소와 플루오린의 조합일 수 있다. 붕소 및 플루오린은 일반적으로 도펀트 종으로서 반도체 재료에 사용된다.
본 설명이 주입된 (예를 들어, "도펀트") 종의 두 가지 구체적 예로서 붕소 및 플루오린을 사용하고, 이들 중 어느 하나가 "선택된" 원자 종일 수 있지만, 본 설명의 방법은 주입된 종으로서 다른 원자 종과 함께 사용하기에 효과적일 수 있고; 예를 들어, 기술된 방법은 주입된 원자 종의 총량에 대한 가공물에 주입되는 특정 선택된 원자 종 (플루오린 또는 붕소와 상이함)의 양 (백분율)을 제어하거나 또는 증가시키는데 유용할 수 있다.
가공물에 주입되는 선택된 원자 종의 양의 증가량은 적어도 5 퍼센트, 10 퍼센트, 20, 30, 50, 또는 일부 예시 방법에서는 플라즈마를 제조하기 위해 1종의 기상 전구체 (즉, 단일 기상 전구체)만 사용하는, 즉, 1종 이상의 추가적인 전구체의 부재 하의 공정에서 달성된 대조 양 (백분율)과 비교하여 최대 100 퍼센트 증가일 수 있다. 예를 들어, 플라즈마를 생성하기 위해 1종의 기상 전구체를 사용하는 (1종 이상의 추가적인 전구체의 부재 하의) 공정에 의해 주입되는 선택된 주입된 원자 종의 양이 공정에 의해 가공물에 주입되는 총 원자 종의 35 퍼센트인 경우, 선택된 주입된 원자 종의 증가된 양은 35 퍼센트 기준보다 적어도 5, 10, 20, 30, 50, 또는 100 퍼센트 더 클 수 있고, 즉, 주입된 원자 종의 총량의 적어도 36.75, 38.5, 42, 45.5, 52.5 또는 70 퍼센트가 선택된 종이다 (그리고 총 주입된 원자 종의 나머지 63.25, 61.5, 58, 54.5, 47.5 및 30 퍼센트는 1종 이상의 추가적인 주입된 원자 종이다).
이러한 예에서, 선택된 원자 종의 35 퍼센트 값은 플라즈마를 제조하기 위해 단일 기상 전구체를 사용하는 플라즈마 이온 침지 주입 기법에 의해 주입되는 선택된 종의 양의 기준선 ("기준") 값이다. 한 예로서, 플라즈마 이온 침지 주입 기법에 의해 플라즈마를 제조하기 위해 단일 기상 플라즈마 전구체로서 BF3를 단독으로 사용하는 경우, 주입된 원자 종으로서 주입되는 붕소의 기준선 퍼센트는 약 34 내지 약 35 퍼센트 (원자)의 범위일 수 있고, 주입된 원자 종의 나머지, 즉, 약 65 내지 약 66 퍼센트 (원자)는 플루오린이다. 선택된 주입된 원자 종으로서 붕소의 증가된 상대적 양은 총 주입된 원자 종의 백분율로서, 35 퍼센트 기준보다 적어도 5, 10, 20, 30, 50, 또는 100 퍼센트 (원자) 더 큰 양, 예를 들어, 모든 주입된 원자 종의 총량을 기준으로, 적어도 36.75, 38.5, 42, 45.5, 52.5, 또는 70 퍼센트 (원자)의 주입된 붕소의 양일 수 있다.
선택된 원자 종으로서 붕소 또는 플루오린을 주입하는 전형적인 (이전 및 현재) 상업적 방법에 따르면, BF3 또는 B2H6이 기상 전구체로서 사용된다. BF3이 전구체인 경우, 플라즈마는 B+, F+, BF+, BF2 + 및 BF3 + 이온을 함유할 것이다. 이러한 다양한 이온 종, 및 이러한 이온으로부터의 붕소 및 플루오린의 원자 종은 주입되는 붕소 및 플루오린의 상대적 양을 제어하는데 어느 하나의 이온 종 또는 어느 하나의 원자 종의 선택성 없이 가공물로 주입될 것이다.
본 설명의 방법에 따르면, 플라즈마는 둘 이상의 화학적으로 상이한 기상 전구체로부터 생성될 수 있고, 기상 전구체는 주입되는 모든 (선택된 및 비-선택된) 원자 종에 비해 특히 원하는 (즉, "선택된") 원자 종의 상대적으로 많은 또는 증가된 양이 가공물에 주입되도록 구체적으로 선택될 수 있다. 총 주입된 원자 종 (총 선택된 주입된 종 및 주입된 비-선택된 종)의 백분율로서 가공물에 주입되는 선택된 주입된 원자 종의 양은 적어도 20, 예를 들어, 25, 35, 45, 55, 65 퍼센트일 수 있고; 즉, 선택된 주입된 원자 종의 양은 주입된 선택된 원자 종 및 주입된 비-선택된 원자 종의 총량의 적어도 20, 예를 들어, 25, 35, 45, 55, 65 퍼센트 이상일 수 있다. 기술된 바와 같이, 플라즈마를 발생시키기 위해 둘 이상의 화학적으로 상이한 기상 전구체를 사용하는 것은 단일 기상 전구체만으로부터 플라즈마를 발생시키는 비슷한 플라즈마 침지 이온 주입 공정과 비교했을 때, 주입된 모든 원자 종의 총량에 비해 가공물로 주입되는 선택된 원자 종의 양을 증가시키는데 유용할 수 있는 기법이다. 기술된 방법에 따르면, 플라즈마는 제1 전구체, 및 제1 전구체와 상이한 적어도 1종의 추가적인 전구체를 포함하는 전구체 혼합물로부터 생성된다. 플라즈마는 적어도 2종의 상이한 플라즈마 이온 종을 포함하고, 적어도 2종의 상이한 플라즈마 이온 종은 선택된 원자 종 및 1종 이상의 추가적인 원자 종을 포함한다. 플라즈마를 형성하는데 사용되는 적어도 1종의 추가적인 전구체는 플라즈마를 형성하기 위해 적어도 1종의 추가적인 전구체를 사용하지 않고 방법을 수행함으로써, 즉, 제1 전구체만으로 플라즈마를 형성함으로써 주입되는 선택된 원자 종의 양과 비교했을 때, 모든 주입된 원자 종에 비해 증가된 양 (백분율)의 선택된 원자 종이 가공물에 주입되게 한다.
기술된 방법의 유용하고 바람직한 예에 따르면, 선택된 원자 종은 붕소 또는 플루오린일 수 있고, 플라즈마를 생성하는데 사용될 수 있는 기상 전구체는 다음의 그룹 중 하나로부터 선택된 (예를 들어, 두 전구체가 모두 단일 그룹으로부터 선택될 수 있음), 또는 다음의 그룹 중 둘 이상으로부터 선택된 둘 이상의 화학적으로 상이한 기상 전구체의 조합을 포함할 수 있다.
그룹 A - 플루오린화붕소 기체: BF3, B2F4, BxFy.
그룹 B - 수소화붕소 기체: B2H6, BxHy.
그룹 C - 혼합된 플루오로수소화붕소: BHF2, BH2F, BxHyFz.
그룹 D - 다른 붕소 기체: BCl3, BxAy (A는 플루오린 이외의 원소일 수 있다).
그룹 E - 플루오린 또는 플루오린화물 기체 (비-붕소): F2, SiF4, Si2F6, GeF4, Ge2F6, CF4, C2F6, XeF2, PF3, PF5, AsF3, AsF5, NF3, SF6, AxFy (A는 붕소 이외의 원소일 수 있다).
그룹 F - 불활성 기체: He, Ne, Ar, Kr, Xe 및 N2.
그룹 G - 수소 및 수소화물 기체: H2, SiH4, Si2H6, GeH4, Ge2H6, PH3, AsH3, CH4, C2H6, NH3, AxHy.
그룹 H - 산소 및 산화물 기체: O2, O3, N2O, N4O, NO2, N2O3, N2O4, N2O5, CO, CO2, AxOy.
이러한 및 다른 예시 방법에서, 플라즈마는 그룹 A, B, C, D, 및 E 중 하나 이상으로부터 선택되는, 기술된 바와 같은 2종의 화학적으로 상이한 기상 전구체의 조합을 함유하는 기상 전구체로부터 생성될 수 있고, 그룹 F, G, 및 H로부터 선택되는 1종 이상의 기체를 추가적으로 포함할 수 있다. 제1 전구체 대 제2 전구체의 상대적 양은 효과적이거나 또는 바람직한 임의의 것, 예를 들어 10:90 내지 90:10 (몰)의 상대적 양, 예를 들어, 40:60 내지 60:40 범위의 상대적 양일 수 있다.
다른 예시 방법에 따르면, 플라즈마는 제3 기상 전구체, 제4 기상 전구체, 및 제5 또는 추가적인 기상 전구체 중 1종 이상을 포함할 수 있고, 각각의 전구체는 그룹 A, B, C, D, 및 E 중 임의의 것으로부터 선택된다.
특정 특별한 예시 방법에서, 선택된 원자 종은 붕소이고 2종의 기상 전구체는 둘 다 그룹 A로부터 선택될 수 있다. 대안적으로, 2종의 기상 전구체는 그룹 B로부터 1종의 기상 전구체 그리고 그룹 D로부터 1종의 기상 전구체를 사용하여 선택될 수 있다. 예로서: 제1 기상 전구체는 BF3일 수 있고 제2 기상 전구체는 B2F4일 수 있거나; 또는 제1 기상 전구체는 BF3일 수 있고 제2 기상 전구체는 B2H6일 수 있거나; 또는 제1 기상 전구체는 B2F4일 수 있고 제2 기상 전구체는 B2F6일 수 있다.
이러한 예시 방법에서, 붕소는 선택된 원자 종이고 플루오린 및 임의적으로 수소는 비-선택된 원자 종이다. 선택된 원자 종으로서 가공물에 주입되는 붕소의 양은 총 주입된 원자 종의 적어도 20, 예를 들어, 25, 35, 45, 55, 65, 75, 85, 또는 95 퍼센트 (원자)일 수 있고; 즉, 주입되는 붕소의 양은 주입되는 붕소 및 주입되는 비-붕소 원자 종의 총량의 적어도 20, 예를 들어, 25, 35, 45, 55, 65, 75, 85, 또는 95 퍼센트 (원자)이다. 바람직한 예시 방법에서 가공물에 주입되는 모든 원자 종 (붕소 및 비-붕소 원자 종)의 총량에 대한 가공물에 주입되는 붕소의 양 (백분율, 원자)은, 플라즈마가 기술된 바와 같은 둘 이상의 화학적으로 상이한 기상 전구체의 조합으로부터 유래되는 경우, 동일한 가공물을 사용하여, 하나의 단일 기상 전구체 화합물, 예를 들어, 둘 이상의 기상 전구체 (화합물)의 혼합물이 아닌, BF3 또는 B2F4만으로부터 플라즈마를 생성하는, 비슷한 (예를 들어, 동일한) 플라즈마 침지 이온 주입 공정에 의해 주입되는 붕소의 양 (백분율, 원자)보다 클 수 있다.
기술된 바와 같은 방법의 추가적인 잠재적 이점으로서, 선택된 원자 종으로서 붕소를 주입하기 위해, 둘 이상의 기상 전구체의 유용한 또는 바람직한 유형 및 양을 선택하면 플라즈마 침지 이온 주입 공정 동안 플라즈마 침지 이온 주입 도구의 챔버 내부의 표면에 존재하거나 또는 축적하게 되는 붕소 입자 또는 붕소 코팅 물질의 수준을 감소시킬 수 있다. 챔버 내에서 입자 형성 및 침착을 감소시키면 가동 휴지 시간을 감소시킴으로써 시스템의 작동 시간 (가동 시간)을 또한 증가시킬 수 있고, 플라즈마 침지 이온 주입 시스템의 유용한 수명을 또한 증가시킬 수 있다 .
다른 예시 방법에서, 도펀트 원자 종은 플루오린이고 2종의 기상 전구체는 둘 다 그룹 E로부터 선택될 수 있다. 예로서: 제1 기상 전구체는 F2일 수 있고 제2 기상 전구체는 BF3 또는 HF일 수 있거나; 또는 제1 기상 전구체는 NF3일 수 있고 제2 기상 전구체는 CF4일 수 있다.
이러한 예시 방법에서, 플루오린은 선택된 원자 종이고, 둘 이상의 기상 전구체 중 임의의 것의 1종 이상의 비-플루오린 원자 종은 비-선택된 원자 종일 수 있다. 가공물에 주입되는 플루오린의 양은 총 주입된 원자 종의 적어도 40, 예를 들어, 45, 55, 65, 75, 85, 또는 95 퍼센트 (원자)일 수 있고; 즉, 주입되는 플루오린의 양은 주입된 플루오린 및 임의의 주입된 비-플루오린 원자 종의 총량의 적어도 40, 예를 들어, 적어도 45, 55, 65, 75, 85, 또는 95 퍼센트 (원자)일 수 있다. 바람직한 방법에서, 가공물에 주입되는 모든 원자 종 (플루오린 및 비-플루오린 원자 종)의 총량에 대한 가공물에 주입되는 플루오린의 양 (백분율, 원자)은, 플라즈마가 기술된 바와 같은 둘 이상의 화학적으로 상이한 기상 전구체의 조합으로부터 유래되는 경우, 동일한 가공물을 사용하여, 1종의 기상 전구체, 예를 들어, BF3만으로부터 플라즈마를 생성하는 비슷한 플라즈마 침지 이온 주입 공정에 의해 주입되는 플루오린의 양 (백분율, 원자)보다 클 수 있다.
플라즈마 침지 이온 주입 공정에서 플라즈마를 생성하기 위해 다수의 기상 전구체를 사용하는 기술된 바와 같은 방법은 임의의 원하는 기상 전구체, 임의의 선택된 원자 종, 및 선택된 원자 종이 주입될 임의의 원하는 가공물에 유용할 수 있다. 특정 방법은 주입된 원자 종 (선택된 및 비-선택된 원자 종)의 총량에 대한 가공물에 주입되는 선택된 원자 종의 상대적 양 (백분율, 원자)을 증가시키는데 유용하다. 이러한 바람직한 방법은 본 발명의 공정과 동일하지만 단일 기상 전구체만 사용하여 플라즈마를 발생시키는 비슷한 주입 공정을 사용하여 제조된 비슷한 (예를 들어, 동일한) 가공물에 주입되는 선택된 원자 종의 양에 비해 가공물에 주입되는 선택된 원자 종의 양 (퍼센트, 원자)을 증가시킬 수 있다.
플라즈마 침지 이온 주입 기법은 상이한 유형의 이온의 혼합물을 함유하는, 본원에 기술된 플라즈마로부터 이온을 추출하고, 가공물을 지지하는 전극 또는 가공물 (플라즈마 내에 보유됨)에 고전압을 인가하여 이온을 기판 쪽으로 가속시킴으로써 표면 도핑 또는 개질에 유용할 수 있다. 플라즈마로부터의 가속된 이온은 가공물 내로 침투한다. 가공물은 이온 중 하나 또는 조합이 바람직하게 도입될 수 있는 임의의 아이템 또는 디바이스, 예를 들어, 반도체 웨이퍼 또는 마이크로전자 디바이스 기판일 수 있다. 빔라인 주입 도구와 비교하여, 플라즈마 침지 주입 도구는 많은 상이한 이온 종을 함유하는 플라즈마로부터 주입을 위한 원하는 이온을 선택하는 질량 분석기 (빔라인 이온 주입 시스템에 필요함)가 없기 때문에 덜 복잡할 수 있다. 플라즈마 침지 이온 주입 도구는 이온 빔을 생성, 집중, 및 정제하기 위한 디바이스를 필요로 하지 않는다. 결과적으로, 플라즈마 침지 이온 주입 기법은 다음과 같은 장점을 생성할 수 있다: 더 낮은 전력 요건; 가공물에 제공되는 이온의 더 낮은 에너지 또는 더 높은 용량, 또는 둘 다; 비교적 더 양호한 등각 도핑; 더 낮은 총 하드웨어 및 운영 비용; 또는 이들 중 둘 이상.
기술된 바와 같은 방법은 플라즈마 침지 이온 주입의 공지된 원리에 의해, 그리고 본원에 기술된 바와 같은 둘 이상의 기상 전구체의 조합으로 작동하는 기존의 플라즈마 침지 도구를 사용하여 수행될 수 있다. 둘 이상의 기상 전구체로부터 유래된 상이한 이온 종의 혼합물로 만들어진 플라즈마는 기상 전구체를 함유하는 처리 챔버에 고전압 RF 또는 임의의 다른 형태의 EM 필드 (마이크로파 또는 DC)를 인가함으로써 형성될 수 있다. 이어서 이온은 가공물 표면을 향해 편향되고 기판 표면으로부터 원하는 깊이로 주입된다.
도 1은 기술된 바와 같은 방법을 수행하는데 유용할 수 있는 예시 플라즈마 침지 이온 주입 챔버를 나타낸다. 도 1의 챔버는 플라즈마 침지 이온 주입 공정을 수행하는데 유용하지만, 이온이 표면 아래로 주입되는 것 없이 활동적 이온에 기판을 노출시키는데 또한 사용될 수 있다. 결과적으로, 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "주입된"은 기술된 바와 같은 방법에 의해 가공물의 표면에 또는 그 아래에 위치하게 되는 이온 또는 원자를 지칭한다.
처리 챔버(100)는 저부(124), 상부(126), 및 챔버 내부 공간(104)을 둘러싸는 측벽(122)을 갖는 챔버 본체(102)를 포함한다. 기판 지지부 어셈블리(128)는 챔버 본체(102)의 저부(124)로부터 지지되고 처리를 위해 기판(300)을 수용하도록 구성된 지지부 판(200)을 포함한다. 임의적으로, 기판 지지부 어셈블리(128)는 기판(300) 지지된 지지부 판(200)의 온도를 제어하는데 적합한 내장형 히터 요소 또는 냉각 요소 (미도시)를 포함할 수 있다.
진공 포트(132)는 챔버 본체(102)에 한정되고 작동 동안 챔버(104)를 배기하는데 유용한 진공 펌프 (미도시)에 결합되어 있다.
기상 전구체의 다수의 공급원은 기판(300) 상에서 수행되는 공정을 위해 챔버(104)로 기상 전구체를 공급하기 위해, 예를 들어 하나 이상의 입구 포트(130)를 통해 챔버(104) 내로 지향된다.
챔버(104) 내에 또한 존재하는 것은 RF 안테나를 활성화하고 기상 전구체 화합물을 해리함으로써 플라즈마(320)를 생성하는 RF 발생기 (미도시)에 연결된 RF 안테나(310)이다.
사용시, 본원에 기술된 바와 같은 둘 이상의 기상 전구체를 포함하는 공정 기체는 하나 이상의 입구 포트(130)를 통해 공정 기체 공급원 (미도시)으로부터 챔버(104)로 공급되고, RF 안테나(310)에 의해 플라즈마(320)로 변환된다. RF 안테나 및 RF 발생기는 펄스 발생기(330)에 의해 생성된 전위에 의해 기판(300)의 표면을 향해 끌어당겨질 주입가능한 이온 종으로 둘 이상의 기상 전구체의 화합물을 효율적으로 해리하도록 구성될 수 있다. RF 발생기의 전력 및 펄스 발생기의 전력 및 주파수와 같은 예시된 시스템의 작동 파라미터는 기판 표면 쪽으로 가속될 수 있고 기판(300)의 상부 표면 아래의 원하는 깊이에서 원하는 이온 농도로 주입될 수 있는 플라즈마의 이온 종인 이온을 생성하는 수준으로 선택될 수 있다.
예시 작동에서, RF 전력의 전력은 기상 전구체를 해리하여 기판의 표면에서 원하는 이온 플럭스를 생성한다. RF 전력은 공정 기체로부터 해리된 이온 에너지가 기판 표면 쪽으로 가속될 수 있고 기판의 상부 표면 아래의 원하는 깊이에서 원하는 이온 농도로 주입될 수 있는 수준에서 제어된다. 예시적 측면에서, 비교적 낮은 바이어스 전압 (예를 들어, 50 V)은, 예를 들어, 50 eV를 포함하는 범위에서 비교적 낮은 이온 에너지를 초래할 수 있다. 낮은 이온 에너지를 갖는 해리된 이온은 기판 표면으로부터 얕은 깊이에서 주입될 수 있다. 대안적으로, 약 100 kV의 더 높은 바이어스 전압은, 예를 들어, 100 keV를 포함하는 범위에서 더 높은 이온 에너지를 생성할 수 있다. 비교적 더 높은 RF 전력 및 바이어스 전압, 예컨대 약 100 keV 초과로부터 제공되고 생성된 높은 이온 에너지를 갖는 해리된 이온은 기판 표면으로부터 훨씬 더 깊이 기판으로 주입될 수 있다.
Claims (19)
- 이온 주입 방법이며,
챔버 내에서 가공물을 지지하는 단계;
제1 전구체, 및 제1 전구체와 상이한 적어도 1종의 추가적인 전구체를 포함하는 전구체 혼합물로부터 플라즈마를 생성하는 단계로서, 여기서 플라즈마는 적어도 2종의 상이한 플라즈마 이온 종을 포함하고, 적어도 2종의 상이한 플라즈마 이온 종은 선택된 원자 종 및 1종 이상의 추가적인 원자 종을 포함하는 것인 단계;
적어도 2종의 상이한 플라즈마 이온 종이 가공물 쪽으로 가속되어 선택된 원자 종 및 1종 이상의 추가적인 원자 종이 가공물 표면 상에 주입되도록 가공물에 전위를 인가하는 단계
를 포함하고;
여기서 적어도 1종의 추가적인 전구체는 증가된 양의 선택된 원자 종이 가공물에 주입되게 하는 것인
방법. - 제1항에 있어서, 가공물에 주입되는 선택된 원자 종의 양이 1종 이상의 추가적인 전구체 부재 하에서의 방법에 의해 주입되는 선택된 원자 종의 양보다 적어도 5 퍼센트 더 많은 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 가공물에 주입되는 선택된 원자 종의 양이 주입된 원자 종의 총량의 적어도 20 퍼센트인 방법.
- 제1항에 있어서, 선택된 원자 종이 붕소 또는 플루오린이고, 1종 이상의 추가적인 원자 종이 붕소, 플루오린, 수소, 또는 이들의 조합을 포함하며, 제1 전구체 및 1종 이상의 추가적인 전구체가
그룹 A, B, C, D, 또는 E로부터 선택된 제1 전구체, 및
그룹 A, B, C, 또는 D로부터의, 제1 전구체와 상이한 제2 전구체
를 포함하고,
여기서
그룹 A는 플루오린화붕소 기체 예컨대 BF3, B2F4 또는 BxFy를 포함하고,
그룹 B는 수소화붕소 기체 예컨대 B2H6 또는 BxHy를 포함하고,
그룹 C는 혼합된 플루오로수소화붕소 기체 예컨대 BHF2, BH2F 또는 BxHyFz를 포함하고,
그룹 D는 붕소 기체 예컨대 BCl3 또는 BxAy (여기서 A는 수소 또는 플루오린 이외의 원소임)를 포함하고,
그룹 E는 플루오린 또는 플루오린화물 기체 예컨대 HF, F2, SiF4, Si2F6, GeF4, Ge2F6, CF4, C2F6, XeF2, PF3, PF5, AsF3, AsF5, NF3, SF6, 및 AxFy (여기서 A는 붕소 이외의 원소임)를 포함하는 것인
방법. - 제4항에 있어서, 전구체 혼합물이 제1 및 제2 전구체와 상이한 제3 전구체를 포함하고, 제3 전구체는 그룹 A, B, C, D, 또는 E로부터 선택되는 것인 방법.
- 제5항에 있어서, 전구체 혼합물이 제1, 제2, 및 제3 전구체와 상이한 제4 전구체를 포함하고, 제4 전구체는 그룹 A, B, C, D, 또는 E로부터 선택되는 것인 방법.
- 제6항에 있어서, 전구체 혼합물이 제1, 제2, 제3, 및 제4 전구체와 상이한 제5 전구체를 포함하고, 제5 전구체는 그룹 A, B, C, D, 또는 E로부터 선택되는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 전구체 혼합물이 그룹 F, G, 또는 H로부터의 1종 이상의 전구체를 포함하고, 여기서
그룹 F는 불활성 기체 예컨대 He, Ne, Ar, Kr, Xe, 또는 N2를 포함하고,
그룹 G는 수소 및 수소화물 기체 예컨대 H2, SiH4, Si2H6, GeH4, Ge2H6, PH3, AsH3, CH4, C2H6, NH3, 및 AxHy (여기서 A는 붕소 또는 플루오린 이외의 원소임)를 포함하고,
그룹 H는 산소 및 산화물 기체: O2, O3, N2O, N4O, NO2, N2O3, N2O4, N2O5, CO, CO2, 및 AxOy (여기서 A는 산소 이외의 원소임)를 포함하는 것인
방법. - 제1항에 있어서, 선택된 원자 종이 붕소이고, 가공물에 주입되는 붕소의 양이 주입된 원자 종의 총량의 적어도 20 퍼센트인 방법.
- 제9항에 있어서, 선택된 원자 종이 붕소이고, 1종 이상의 추가적인 원자 종이 플루오린, 수소, 또는 둘 다를 포함하며, 여기서
제1 전구체는 BF3, B2F4, 또는 B2H6이고,
1종 이상의 추가적인 전구체는 제1 전구체와 상이하고 BF3, B2F4, 및 B2H6으로부터 선택되는 것인
방법. - 제9항에 있어서,
제1 전구체가 BF3이고 제2 전구체가 B2F4이거나, 또는
제1 전구체가 BF3이고 제2 전구체가 B2H6이거나, 또는
제1 전구체가 B2F4이고 제2 전구체가 B2F6인
방법. - 제9항에 있어서, 제1 전구체가 B2F4이고, 제2 전구체가 B2H6이며, 전구체 혼합물이 수소 기체를 추가로 포함하는 것인 방법.
- 제9항에 있어서, 제1 전구체 대 제2 전구체의 상대적 양이 10:90 내지 90:10 (몰)의 범위인 방법.
- 제1항에 있어서, 선택된 원자 종이 플루오린이고, 가공물에 주입되는 플루오린의 양이 주입된 원자 종의 총량의 적어도 40 퍼센트인 방법.
- 제14항에 있어서, 제1 전구체가 HF, F2, SiF4, Si2F6, GeF4, Ge2F6, CF4, C2F6, XeF2, PF3, PF5, AsF3, AsF5, NF3, SF6, 및 AxFy (여기서 A는 붕소 이외의 원소임)로부터 선택되는 것인 방법.
- 제14항에 있어서,
제1 전구체가 F2, HF, NF3, BF3이고,
1종 이상의 추가적인 전구체가 제1 전구체와 상이하고 F2, HF, BF3, B2F4, CF4 및 B2H6으로부터 선택되는 것인
방법. - 제14항에 있어서, 제1 전구체 대 제2 전구체의 상대적 양이 10:90 내지 90:10 (몰)의 범위인 방법.
- 플라즈마 침지 이온 주입 시스템이며,
챔버로서,
RF 안테나를 포함하는 플라즈마 발생기,
가공물 지지부, 및
전극
을 포함하는 챔버,
제1 전구체의 공급원, 및
제1 전구체와 상이한 적어도 1종의 추가적인 전구체의 공급원
을 포함하고,
여기서 시스템은
가공물 지지부 상에 가공물을 지지하고;
전구체로부터 플라즈마를 발생시키며, 여기서 플라즈마는 적어도 2종의 상이한 플라즈마 이온 종을 포함하고, 2종의 플라즈마 이온 종은 선택된 원자 종 및 1종 이상의 추가적인 원자 종을 포함하고;
적어도 2종의 상이한 플라즈마 이온 종을 가공물 쪽으로 가속되게 하여 선택된 원자 종 및 1종 이상의 추가적인 원자 종이 가공물 표면 상에 주입되게 하도록 구성되고;
여기서 적어도 1종의 추가적인 전구체는 증가된 양의 선택된 원자 종이 가공물에 주입되게 하는 것인
시스템. - 제1항에 있어서, 선택된 원자 종이 붕소 또는 플루오린이고, 1종 이상의 추가적인 원자 종이 붕소, 플루오린, 수소, 또는 이들의 조합을 포함하며, 제1 전구체 및 1종 이상의 추가적인 전구체가
그룹 A, B, C, D, 또는 E로부터 선택된 제1 전구체, 및
그룹 A, B, C, 또는 D로부터의, 제1 전구체와 상이한 제2 전구체
로부터 선택되고,
여기서
그룹 A는 플루오린화붕소 기체 예컨대 BF3, B2F4 또는 BxFy를 포함하고,
그룹 B는 수소화붕소 기체 예컨대 B2H6 또는 BxHy를 포함하고,
그룹 C는 혼합된 플루오로수소화붕소 기체 예컨대 BHF2, BH2F 또는 BxHyFz를 포함하고,
그룹 D는 붕소 기체 예컨대 BCl3 또는 BxAy (여기서 A는 수소 또는 플루오린 이외의 원소임)를 포함하고,
그룹 E는 플루오린 또는 플루오린화물 기체 예컨대 HF, F2, SiF4, Si2F6, GeF4, Ge2F6, CF4, C2F6, XeF2, PF3, PF5, AsF3, AsF5, NF3, SF6, 및 AxFy (여기서 A는 붕소 이외의 원소임)를 포함하는 것인
시스템.
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