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KR101160006B1 - 챔버 내부 표면 상의 순수한 또는 거의 순수한 실리콘 시즈닝 층을 이용하는 플라즈마 침지형 이온 주입 방법 - Google Patents

챔버 내부 표면 상의 순수한 또는 거의 순수한 실리콘 시즈닝 층을 이용하는 플라즈마 침지형 이온 주입 방법 Download PDF

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KR101160006B1
KR101160006B1 KR1020107019876A KR20107019876A KR101160006B1 KR 101160006 B1 KR101160006 B1 KR 101160006B1 KR 1020107019876 A KR1020107019876 A KR 1020107019876A KR 20107019876 A KR20107019876 A KR 20107019876A KR 101160006 B1 KR101160006 B1 KR 101160006B1
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카틱 라마스와미
히로지 하나와
선미 조
바이아지오 갈로
최동원
마지드 에이. 포아드
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

필요한 이온 주입 깊이 프로파일을 얻기 위해서 정전기 척 상에서 매우 높은 RF 바이어스 전압을 이용하는 플라즈마 침지형 이온 주입이, 웨이퍼 도입에 앞서서, 내부 챔버 표면에 걸쳐 부분 전도성인 실리콘-함유 시즈닝 층을 먼저 증착하는 단계에 의해서 실시된다.

Description

챔버 내부 표면 상의 순수한 또는 거의 순수한 실리콘 시즈닝 층을 이용하는 플라즈마 침지형 이온 주입 방법{PLASMA IMMERSION IMPLANTATION METHOD USING A PURE OR NEARLY PURE SILICON SEASONING LAYER ON THE CHAMBER INTERIOR SURFACES}
반도체 웨이퍼 또는 공작물 내에 주입될 종(species)의 이온을 함유하는 플라즈마를 생성함으로써, 플라즈마 침지형 이온 주입이 실시된다. 플라즈마는 반응기 챔버 천장(ceiling)에 위치하는 토로이달 플라즈마 소오스(toroidal plasma source)와 같은 플라즈마 소오스를 이용하여 생성된다. 매우 높은 RF 바이어스 전압(예를 들어, 10 kV 내지 20 kV)을 반도체 지지 받침대 내의 절연된 음 전극을 통해서 반도체 웨이퍼로 커플링함으로써, 웨이퍼 표면 아래에서 희망하는 이온 주입 깊이 프로파일을 달성하기 위한 충분한 이온 에너지가 제공된다. 웨이퍼 지지 받침대가 정전기 척에 통합된다면, 절연된 음 전극은 얇은(예를 들어, 1 mm 두께) 절연 층에 의해서 웨이퍼 지지 표면으로부터 분리된 얇은 금속(예를 들어, 몰리브덴) 메시(mesh)일 수 있을 것이다. 웨이퍼 아래쪽의 얇은 절연 층에 걸쳐 강한 전기장을 유도하기 위해서, D.C. 클램핑 또는 "척킹(chucking)" 전압을 메시 전극에 인가함으로써, 웨이퍼는 정전기적으로 척에 클램핑된다. 희망하는 이온 주입 깊이 프로파일을 달성하기 위해서는 높은 RF 바이어스 전압(10-20 kV)이 요구된다. 양호한 온도 제어를 획득하기 위해서 웨이퍼가 정전기적으로 클램핑된다. 이온 에너지 또는 주입 깊이를 제어하기 위해서 웨이퍼에 인가되는 RF 바이어스 파워는 웨이퍼 DC 바이어스 전압을 생성한다. 원하는 정전기적 웨이퍼 클램핑 전압은 원하는 클램핑 전압과 동일한 양만큼 웨이퍼 DC 바이어스 전압과 상이한 DC 전압을 척 메시 전극에 인가함으로써 생성된다. 그러한 편차는 통상적으로 콜럼빅(columbic) 척의 경우에 1-2 킬로볼트이고 Johnson-Rhabeck 척의 경우에 400-600 볼트인 웨이퍼 클램핑 DC 전압이다.
D.C. 클램핑 전압은 웨이퍼 후방면과 얇은 절연 층 사이의 경계에서 포획된(trapped) 대응하는 많은 양의 전하를 생성한다. 이렇게 포획된 전하는 D.C. 척킹 전압을 제거한 후에도 웨이퍼와 척 사이에서 강한 인력을 생성한다. 포획된 전하가 없어질 때까지 기다리지 않고 웨이퍼를 척으로부터 제거하려고 하는 경우에 웨이퍼가 파손될 위험이 있다. 문제는, 웨이퍼를 제거할 수 있을 정도로 포획된 전하가 충분히 소산될 때까지 1-24 시간이 걸릴 수도 있다는 것이다. 이는, 웨이퍼가 후방면에 절연(이산화 실리콘) 층을 가지기 때문이고 그리고 웨이퍼 지지 표면이 절연(예를 들어, 이산화 실리콘 또는 실리콘 질화물) 시즈닝(seasoning) 층으로 덮여지기 때문이다. 이들 절연 층을 통한 포획 전하의 누설 또는 중화는 매우 느리다. 포획 전하의 소산을 위해서 대기하는 결과로서의 지연(1-24 시간)은 비용과 관련되는 처리량(throughput)의 감소로 나타난다. 이러한 생산성 제한을 극복할 필요가 있을 것이다.
플라즈마 반응기 챔버 내에서 반도체 공작물의 플라즈마 침지형 이온 주입을 위한 방법이 제공된다. 그러한 방법의 일 실시예에서, 공작물을 반응기 내로 도입하기에 앞서서, 부분적으로 전도성을 가지는 시즈닝 필름이 챔버의 내부 표면에 증착(deposit; 부착)된다. 일 실시예에서, 시즈닝 필름은 실리콘, 산소 및 수소를 포함하고 그리고 70 % 내지 85%의 실리콘 함량을 가진다. 그러한 방법은, 공작물 지지 표면의 하부에 위치되고 공작물 지지 표면으로부터 절연된 전극으로 정전기 클램핑 전압을 인가하여 반응기 내의 공작물 지지 표면 상에 공작물을 정전기적으로 클램핑하는 단계, 그리고 그 후에 RF 소오스 파워 발생기로부터 프로세스 가스로 RF 플라즈마 소오스 파워를 커플링하여 챔버 내에서 공작물 내로 이온 주입하고자 하는 종들을 포함하는 프로세스 가스로부터 플라즈마를 생성하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 RF 바이어스 파워 발생기로부터 디스크-형상의 전극으로 RF 바이어스 파워를 인가하는 단계를 더 포함하며, 상기 전극은 공작물의 하부에 위치되고 공작물로부터 절연되며 공작물의 원주방향 엣지의 아래쪽에 놓이는 원주방향 엣지를 구비하며, 상기 RF 바이어스 파워는 주입하고자 하는 종들의 공작물의 표면 아래에서의 원하는 이온 주입 깊이 프로파일에 상응하는 5-20 kV 단위(on the order of; 자릿수가 같은)의 높은 RF 바이어스 전압을 공작물 상에서 충분히 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 정전기 클램핑 전압은 RF 바이어스 전압의 D.C. 성분(component)과 같은 단위이거나 그것을 초과한다. 그 후에, 클램핑 전압을 턴오프하고, 공작물 지지 표면을 덮고 있는 시즈닝 필름의 일부를 통해서 공작물이 전기적으로 방전되도록 기다리고, 그리고 그 후에 공작물 지지 표면으로부터 공작물을 상승시킴으로써 공작물이 제거된다.
도 1은 본원 명세서에 기재된 프로세스의 일 실시예를 실시하는데 이용되는 플라즈마 침지형 이온 주입 반응기를 도시한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 프로세스를 도시한 흐름도이다.
도 3a는 실란 가스 유량과 시즈닝 층의 실리콘 함량 사이의 관계를 도시한 그래프이다.
도 3b는 시즈닝 층의 전기적 비저항을 시즈닝 층의 실리콘 함량을 함수로 하여 도시한 그래프이다.
도 3c는 시즈닝 층의 실리콘 함량의 함수로서 웨이퍼-척 경계에 포획된 전기 전하의 방전 시간을 나타낸 그래프이다.
도 3d는 이온 주입 프로세스 동안의 시즈닝 층의 부착 퍼센티지를 이산화 실리콘 시즈닝 층의 부착에 대해서, 실리콘 함량을 함수로 하여 도시한 그래프이다.
도 4는 주어진 실리콘 함량에 대한 시즈닝 층의 산소 및 수소 함량 사이의 관계를 도시한 그래프이다.
도 1을 참조하면, 플라즈마 침지형 이온 주입 반응기는 원통형 측벽(105), 바닥부(110) 및 천장부(115)에 의해서 둘러싸인 챔버(100)를 구비한다. 챔버(100) 내의 웨이퍼 지지 받침대(120)는 반도체 웨이퍼(125)를 척(120)의 웨이퍼 지지 표면(130) 상에서 정전기적으로 클램핑할 수 있는 정전기 척일 수 있다. 척(120)은 접지된 전도성 베이스 층(140), 상기 베이스 층(140) 위에 놓여지는 절연 층(145), 상기 절연 층(145) 위에 놓여지는 얇은 음 전극(150), 그리고 상기 음 전극(150) 위에 놓이고 웨이퍼 지지 표면(130)을 형성하는 상부 절연 층(155)으로 이루어질 수 있을 것이다. 절연 층(145), 및 상부 절연 층(155)의 물질은 세라믹 물질일 수 있을 것이다. 음 전극(150)은 몰리브덴으로 형성된 얇은 금속 메시일 수 있다.
도 1의 반응기는 각각이 챔버(100)의 직경을 가로질러 연장하고 그리고 단부들이 천장부(115) 내의 포트(112)를 통해서 챔버(100)의 내부로 커플링되는 한 쌍의 횡단 외부 재도입 도관(160, 165)을 포함하는 토로이달 플라즈마 소오스를 구비한다. RF 파워 인가장치(170, 175)는 RF 파워를 재도입 도관(160, 165)의 내부로 각각 커플링시킨다. RF 파워 인가장치(170)는 도관(160) 주위를 둘러싸는 자기 투과성 링(180), 상기 링(180)의 일부 주위를 둘러싸는 전도성 코일(182) 및 RF 임피던스 매치 요소(186)를 통해서 상기 코일(182)로 커플링되는 RF 파워 발생기(184)로 이루어진다. RF 파워 인가장치(175)는 도관(165) 주위를 둘러싸는 자기 투과성 링(180'), 상기 링(180')의 일부 주위를 둘러싸는 전도성 코일(182') 및 RF 임피던스 매치 요소(186')를 통해서 상기 코일(182')로 커플링되는 RF 파워 발생기(184')로 이루어진다.
천장부(115)는 가스 분배 플레이트(188)를 포함한다. 프로세스 가스 공급부(190a, 190b, 190c, 190d)는 사용자-제어형 가스 패널(195)을 통해서 가스 분배 플레이트(188)로 프로세스 가스를 제공한다. 챔버(100)는 진공 펌프(198)에 의해서 배기된다. 프로세스 가스 공급부는 2개의 상이한 혼합물들을 제공할 수 있다. 제 1 프로세스 가스 또는 가스 혼합물은 주입전(pre-implant) 챔버 시즈닝 프로세스에서 이용되며, 이 경우에 웨이퍼가 챔버 내로 도입되기에 앞서서 프로세스-양립형(compatible) 물질의 얇은 코팅이 반응기 챔버의 내부 표면 상에 부착된다. 일 실시예에서, 제 1 프로세스 가스는 실란과 같은 실리콘-함유 가스와 산소 가스의 혼합물로 이루어진다. 가스 공급부(190a)가 실란 가스를 포함할 수 있는 한편, 가스 공급부(190b)가 산소 가스를 포함할 수 있을 것이다. 제 2 프로세스 가스 또는 가스 혼합물이 웨이퍼의 플라즈마 침지형 이온 주입 동안에 이용되며, 상기 제 2 프로세스 가스는 반도체 도펀트 불순물로서 실리콘 웨이퍼로 주입하고자 하는 화학물질 종(예를 들어, 보론, 비소, 인, 안티몬, 등)의 불화물 또는 수소화물로 이루어진다. 제 2 프로세스 가스가 플라즈마 내에서 분해되어 희망 도펀트 종의 이온들을 생성한다. 제 2 프로세스 가스가, 예를 들어, BF3와 같은 도펀트의 불화물, 또는 도펀트의 수소화물을 저장할 수 있는 가스 공급부(190c)로부터 획득된다. 도펀트 종은 실리콘의 경우에 예를 들어 보론 또는 인과 같은 p-타입 도펀트일 수 있고, 또는 실리콘의 경우에 예를 들어 비소 또는 안티몬과 같은 n-타입 도펀트일 수 있을 것이다. 이들 도펀트 종들의 기체 불화물 및 수소화물 화합물은 잘 알려져 있으며, 이들 기체 화합물 중 하나가 가스 공급부(190c) 내에 저장된다. 그러한 가스의 특정 예가 BF3 이다. 가스 공급부(190d)는 예를 들어 아르곤과 같은 불활성 가스를 포함하고, 그러한 불활성 가스의 사용에 대해서는 후술한다.
정전기 척(120)은 웨이퍼를 지지 표면(130) 상에 배치하는 동안에 그리고 웨이퍼(125)를 챔버(100)로부터 제거하는 동안에 로봇 핸들러(도시되지 않음)가 웨이퍼(125)를 핸들링할 수 있도록 하기 위한 사용자-제어형 리프트 스파이더(123) 상에서 지지되고 승강이 가능한 리프트 핀(122) 세트를 포함한다. 통상적으로, 리프트 핀(122)은 플라즈마 프로세싱 동안에 오염되는 것을 방지하기 위해서 세라믹 물질로 형성된다. 사용자-제어형 D.C. 척킹 전압 소오스(200)가 스위치(202)를 통해서 메시 전극(150)으로 연결된다. 매우 높은 RF 바이어스 전압을 생성할 수 있는 RF 바이어스 파워 발생기(210)가 RF 임피던스 매치 회로(215)를 통해서 그리고 선택적인 격리(isolation) 커패시터(220)(상기 임피던스 매치 회로(215)에 포함될 수도 있다)를 통해서 메시 전극(150)에 커플링된다. 웨이퍼(125) 내에서 유용한 이온 주입 깊이 프로파일을 제공하기 위해서, RF 바이어스 전압 발생기가 충분히 높은 파워 레벨에서 작동되어 웨이퍼 표면에서 플라즈마 외피(sheath)에 걸쳐 10 kV 또는 그 초과 단위(on the order of)의 RF 바이어스 전압을 생성한다. 이러한 전압은 이온 주입 깊이 프로파일을 제어한다.
전술한 바와 같이, 주입전 챔버 시즈닝 프로세스가 웨이퍼(125)의 도입 이전에 실시될 수 있고, 이때 웨이퍼 지지 표면(130)을 포함하는 적어도 거의 모든 내부 챔버 표면이 프로세스-양립형 물질로 이루어진 시즈닝 층으로 코팅된다. 이러한 단계는, 예를 들어, 챔버 표면으로부터의 프로세스-양립형 물질의 스퍼터링으로 인한 주입 프로세스의 오염을 방지할 수 있다. 통상적으로, 시즈닝 층의 프로세스-양립형 물질은 챔버 내부 표면에 양호하게 부착되는 이산화실리콘 또는 질화실리콘이다. (순수 실리콘은 시즈닝 층으로 이용될 수 없는데, 이는 열악한 접착성 때문이다.) 이산화실리콘 시즈닝 층은 1012 Ω-m 단위의 전기 비저항을 가진다. 주입전 챔버 시즈닝 프로세스에서, 웨이퍼 도입에 앞서서, 실란 및 산소 가스가 가스 공급부(190a, 190b)로부터 오버헤드(overhead) 가스 분배 플레이트(188)를 통해서 챔버(100) 내로 도입되며, 그 동안에 토로이달 플라즈마 소오스가 챔버(100) 내에서 플라즈마를 생성한다. 챔버 내부 표면 상에 수소화된 이산화실리콘 필름이 생성되도록 실란 및 산소 가스의 비율이 선택된다. 이러한 필름은 이산화실리콘과 유사한 화학양론적 비율을 가지나, 일부 수소가 적은 비율로 존재하고, 전기 비저항은 이산화실리콘의 전기 비저항과 유사하다(약 1012 Ω-m).
챔버 표면이 시즈닝 층으로 원하는 두께(예를 들어, 1-100 미크론)로 코팅된 후에, 시즈닝 프로세스 가스(실란 및 산소)의 가스 분배 플레이트(188)로의 유동이 가스 패널(195)에 의해서 중단되고, 이들 가스들이 챔버(100)의 내부로부터 펌핑 배출될 수 있게 한다. 반도체 웨이퍼(125)가 정전기 척(120)의 웨이퍼 지지 표면(130) 상에 배치되고, 그리고 이온 주입 프로세스 가스(예를 들어, BF3)가 가스 공급부(190c)로부터 가스 분배 플레이트(188)를 통해서 도입된다. 이온 주입 프로세스 가스는 도펀트의 불화물 또는 도펀트의 수소화물일 수 있다. 본원 명세서에서 사용된 도펀트라는 용어는 반도체 결정 격자 내에서 도너 또는 억셉터 사이트를 형성하는 반도체 결정 내의 불순물 종을 지칭한다. 결정질 실리콘 반도체의 경우에, 도펀트 종에는 보론, 인, 비소, 안티몬 등이 포함된다. RF 파워 인가장치(170, 175)로부터의 RF 파워를 이용하는 토로이달 플라즈마 소오스에 의해서 챔버(100) 내에서 플라즈마가 생성된다. 웨이퍼(125)의 표면 아래쪽의 희망 이온 주입 깊이 프로파일은 RF 바이어스 파워 발생기(210)로부터 음 전극(150)으로 충분한 양의 RF 바이어스 파워를 인가함으로써 얻어진다. 통상적인 이온 주입 깊이 프로파일은 10 kV-20 kV 단위의 RF 바이어스 전압을 필요로 한다. 이온 주입 프로세스는 희망하는 이온 주입 투여량(dosage)이 반도체 웨이퍼(125) 내에서 얻어질 때까지 실시되며, 그 후에 웨이퍼가 챔버(100)로부터 제거된다. 웨이퍼(125)의 제거는 (정전기적인 웨이퍼 클램핑력을 제거하기 위해서) D.C. 척킹 전압 공급 스위치(202)를 턴오프함으로써, 그리고 이어서 리프트 핀(122)을 상승시킴으로써 달성된다.
하나 이상의 웨이퍼 또는 몇 개의 연속적인 웨이퍼가 이온 주입되고 그리고 챔버로부터 제거된 후에 시즈닝 필름이 내부 챔버 표면으로부터 제거된다. 시즈닝 필름을 제거하기 위해서, 하류-스트림(down-stream) 또는 원격 플라즈마 소오스(RPS)(400)가 챔버(100)의 가스 분배 플레이트(188)에 커플링된다. NF3 와 같은 불소-함유 가스의 공급부(402)가 원격 플라즈마 소오스(400)에 커플링되어 원격 플라즈마 소오스(400) 내부에서 발생된 플라즈마에서의 분리로 인한 자유(유리; free) 불소를 생성한다. 시즈닝 층을 제거하기 위해서, 자유 불소를 포함하는 플라즈마 부산물이 원격 플라즈마 소오스(400)로부터 오버헤드 가스 분배 플레이트(188)를 통해서 그리고 챔버(100) 내로 가스로서 공급된다. 이러한 제거 단계는 완료시까지 대략적으로 30초가 소요된다.
반도체 웨이퍼(125)를 정전기 척으로부터 제거할 때 웨이퍼가 파손되는 문제점이 발생된다. 웨이퍼 제거 중에, 리프트 핀(122)의 상승이 D.C. 척킹 전압의 제거 후에 잔류하는 잔류 정전기적 웨이퍼 클램핑력에 의해서 방해받는다는 것을 발견하였다. 통상적으로, 리프트 핀(122)이 웨이퍼 후방면에 대해서 힘을 가하자마자 웨이퍼가 파손된다. 이러한 문제는 척킹 전압 공급 스위치(202)를 턴오프한 후에 매우 오랜 시간 동안 웨이퍼 제거를 연기하는 것에 의해서만 회피될 수 있을 것이다. 이러한 지연은 각 웨이퍼에 대해서 1시간으로부터 수시간이 될 수 있을 것이며, 이는 생산성을 허용 불가능할 정도로 손상시킨다. 본원 발명자들은 이러한 매우 긴 지연이 2가지 원인으로부터 발생된다는 것을 발견하였다. 첫 번째로, 매우 높은 RF 바이어스 전압을 위해서 필요한 매우 높은 D.C. 척킹 전압이 그에 비례하여 매우 많은 양의 전기 전하를 웨이퍼-척 경계에 축적한다. 두 번째로, 이산화실리콘 또는 질화실리콘 시즈닝 층이 웨이퍼-척 경계 내에 포획된 전기 전하의 전기적 격리를 증대시킨다. 통상적으로, 웨이퍼는 후방면에 절연 이산화실리콘 필름을 구비하고, 그리고 척(120)의 웨이퍼 지지 표면(130) 상의 이산화실리콘 시즈닝 층 및 웨이퍼 후방면의 이산화실리콘 층의 절연부가 포획된 전하의 방전을 위한 주요 경로가 된다. 양 층들은 높은 전기 비저항(예를 들어, 약 1012 Ω-m)을 가지며, 이는 플라즈마 침지형 이온 주입 프로세스가 완료되고 D.C. 척킹 전압 스위치(202)가 턴 오프된 후에 포획된 전하가 소산되는데 필요한 시간을 연장시킨다. 포획된 전하를 위한 전도성 경로를 제공하기 위해서, 척킹 전압 스위치(202)가 턴오프된 후에 아르곤 플라즈마와 같은 플라즈마가 챔버(100) 내에서 유지될 수 있을 것이다. 이러한 방식에서도, 척 전압 스위치 턴 오프 이후에 웨이퍼 제거에 필요한 대기 시간이 시간(hours) 단위가 될 것이다.
이러한 지연 시간을 단축시키기 위한 다른 방안으로서, 금속 리프트 핀(122)을 형성하고, 그리고 그러한 리프트 핀을 웨이퍼 후방면에 대해서 조심스럽게(gently) 위치시켜 웨이퍼(125)를 척(120)으로부터 상승시키기에 앞서서 포획된 전하의 방전을 위한 또 다른 전도성 경로를 제공할 수 있을 것이다. 그러나, 리프트 핀(122)은 전도성이 될 수 없는데, 이는 척(120)에 인가되는 매우 높은 RF 바이어스 전압(10 kV)이 리프트 핀으로 인한 플라즈마의 금속 오염을 초래할 수 있기 때문이다. 통상적으로, 리프트 핀(122)은 척킹 절연 층(145, 155)의 세라믹 재료와 유사한 세라믹 재료로 형성되며, 그에 따라 웨이퍼-척 경계에서 포획된 전하를 위한 전기적 방전 경로를 제공하지 못한다.
전술한 문제점들을 극복하기 위해서, 훨씬 적은 전기 저항의 물질을 챔버 내부 표면 상에 부착되는 시즈닝 층으로서 이용하며, 그러한 물질은 약 109 Ω-m 단위의 전기적 비저항을 가지며, 또는 전술한 이산화실리콘 시즈닝 층의 비저항 보다 수백배 이상(several orders of magnitude) 적은 전기적 비저항을 가질 것이다. 일 실시예에서, 새로운 적은 저항의 시즈닝 물질이 약 70-85 원자% 조성의 실리콘과 나머지 산소 및 수소로 형성된다. 예를 들어, 시즈닝 층이 SixOyH2일 수 있으며, 이때 x는 0.7 내지 0.85 범위이다. 다른 실시예에서, 실리콘 함량은 75% 내지 85% 이다. 또 다른 실시예에서, 실리콘 함량은 80% 내지 85% 이다. 필수적으로, 부분적으로 전도성인 시즈닝 물질 내의 실리콘 비율은 최대 한계치(maximum threshold)(예를 들어, 약 85 원자% 조성)에 근접한 미만의 값이며, 그러한 최대 한계치 보다 높은 값에서는 시즈닝 물질이 분말화되고 그리고 챔버 내부 표면에 대해서 열악하게 부착된다. 또한, 부분적으로 전도성인 시즈닝 층 내의 실리콘의 비율은 최소 한계치(약 65 원자% 조성)보다 높으며, 그러한 최소 한계치 미만에서는 물질의 전기 비저항이 약 109 Ω-m 또는 1010 Ω-m 를 초과한다. 산소의 비율은 실리콘의 비율에 의존하며 약 20% 내지 5%일 수 있다. 물질의 나머지는 수소로 구성되며, 그 비율은 약 5% 내지 20%가 된다. 일 실시예에서, 이들 비율은 이하의 유동 속도를 이용하여 얻어질 수 있다: 즉, 200-400 sccm 의 실란 및 50-100 sccm 의 산소.
새로운 부분적으로 전도성인 시즈닝 물질이 이온 주입 프로세스에 대한 입자 오염의 문제를 발생시키지 않고 (웨이퍼 상승을 위한 클램핑 후의 필요 대기 시간을 감소시킴으로써) 생산성을 크게 증대시킬 수 있다. 사실상, D.C. 클램핑 전압의 제거 후에 웨이퍼 상승에 필요한 대기 시간은 이제 초 단위가 될 것이며, 이는 몇 시간 또는 그 보다 긴 현재의 대기 시간을 넘어서는 수백배 이상의 개선이 될 것이다. 새로운 부분적으로 전도성인 시즈닝 물질은 웨이퍼-척 경계부에 포획된 전하를 위한 방전 경로를 제공하며, 그러한 경로는 종래의 시즈닝 물질의 전도성 보다 약 1000 배의 전도성을 가진다.
새로운 부분적으로 전도성인 시즈닝 물질은 도 1의 반응기의 토로이달 플라즈마 소오스와 특히 양립성을 갖는다(compatible). 구체적으로, 시즈닝 물질이 재진입 도관(160, 165)의 내부 표면 상에 거의 또는 전혀 부착되지 않으며, 그에 따라 그 물질의 부분적인 전도성 거동이 RF 파워 인가장치(170, 175)의 성능에 부정적인 영향을 미치지 않는다. 부분적인 전도성의 시즈닝 물질의 부착은 원칙적으로 챔버(100)의 내부 표면으로 한정된다.
이제, 새로운 부분적으로 전도성인 시즈닝 물질을 이용하는 플라즈마 침지형 이온 주입 프로세스에 대해서 도 2를 참조하여 설명한다. 첫 번째로, 새로운 부분적으로 전도성인 시즈닝 물질이 챔버 내부 표면 상에 부착된다. 이러한 목적을 위해서, 아르곤 또는 기타 불활성 가스가 가스 공급부 중 하나(예를 들어, 가스 공급부(190d))로부터 가스 분배 플레이트(188)를 통해서 도입되고, 그 동안에 약 20 mT의 챔버 압력에서 13.56±1 MHz의 공칭(nominal) 주파수의 플라즈마 소오스 파워가 RF 파워 인가장치(170, 175)에 의해서 인가된다(블록 450). 산소 가스가 가스 분배 플레이트(188)를 통해서 약 50-100 sccm의 유량으로 도입된다(블록 455). 실란 가스가 가스 분배 플레이트(188)를 통해서 약 200-400 sccm의 유량으로 도입된다(블록 460). 약 3000-4000 Å의 시즈닝 필름이 내부 챔버 표면 상에 증착될 때까지 이들 가스 유량을 유지한다(블록 465).
실란 가스 및 산소 가스의 유동이 중단되고 그리고 챔버(100)는 아르곤 가스로 플러싱된다(flushed)(블록 470). 아르곤 가스의 유동이 중단된 후에, 이온주입할 반도체 웨이퍼가 웨이퍼 지지 표면(130) 상에 위치되고 그리고 도펀트 종-함유 프로세스 가스가 가스 분배 플레이트(188)를 통해서 챔버(100) 내로 도입되고, 그 동안에 소오스 파워 인가장치(170, 175)를 통해서 RF 소오스 파워를 인가한다(블록 475). 충분한 RF 바이어스 파워(예를 들어, 몇 만 Watts)가 전극(150)으로 인가되어 웨이퍼 내에서 원하는 이온 주입 깊이 프로파일을 획득할 수 있는 바이어스 전압(예를 들어, 10-20 kV)을 생성한다.
희망하는 이온 주입 투여량이 웨이퍼 내에서 얻어진 후에, 도펀트-함유 프로세스 가스 유동이 중단되고, 클램핑 전압 스위치(202)가 턴오프되며, 그리고 (선택적으로) 아르곤 (또는 기타 불활성) 가스가 챔버 내로 유동되며, 그 동안에 파워 인가장치(170, 175)를 통해서 플라즈마 소오스 파워를 인가하며, 그리고 약 30 초 후에 웨이퍼 지지 표면(130)으로부터 웨이퍼를 상승시킨다(블록 485).
챔버로부터 웨이퍼를 제거한 후에, (일 실시예에서) 원자 불소를 함유하는 시즈닝 물질 제거 가스가 가스 분배 플레이트(188)를 통해서 원격 플라즈마 소오스(400)로부터 챔버 내로 도입되고, 그 동안에 RF 소오스 파워 및 RF 바이어스 파워가 챔버(100)로 인가되지 않는다. 이러한 가스 유동이 약 30 초 동안 계속되어 모든 시즈닝 물질을 제거한다(블록 490). 이러한 시간 동안에, 진공 펌프(198)가 메인(main) 챔버(100)를 약 200-300 mT로 유지하는 한편 원격 플라즈마 소오스(400)의 내부를 그 보다 높은 압력(예를 들어, 1-2 Torr)으로 유지하는데, 그 이유는 가스 분배 플레이트(188) 그리고 원격 플라즈마 소오스(400)를 가스 분배 플레이트에 커플링하는 가스 라인에 걸친 압력 강하 때문이다. 이어서, 챔버(100)는 다음 플라즈마 침지형 이온 주입 프로세스를 위한 대기 상태가 된다. 이러한 방식에서 시즈닝 층이 제거되기 전에 하나 이상의 웨이퍼가 이온 주입될 수 있다. 시즈닝 층 제거 가스로서 원자 불소 또는 불소 화합물을 이용하는 것 또는 원격 플라즈마 소오스(400)로부터의 플라즈마 부산물을 이용하는 것의 이점은, 불소 중성체(neutrals)가 상온에서 알루미늄에 대해서 상당한 정도로 공격을 하지 않는다는 것이다. 이는 시즈닝 층의 제거 동안에 노출되는 금속 부품의 열화(劣化)를 피할 수 있게 한다.
도 3a는 하나의 플라즈마 반응기 내에서 개략적으로 실란 가스 유량을 함수로 하여 SixOyHz 의 시즈닝 층 내의 실리콘 함량 x를 나타낸 그래프이다. 도 3a의 그래프는 개략적인 것이고 실척으로 도시된 것이 아니다(approximate and not to scale). 이러한 예에서, 산소가 특정 범위 내의 가스 유량(예를 들어, 50-100 sccm 또는 분당 표준 입방 센티미터)으로 반응기 챔버 내로 공급된다. 도 3a는, 실란 가스 유량이 200 sccm으로부터 400 sccm으로 증대됨에 따라, 실리콘 함량이 약 0.65로부터 약 0.85로 증대되는 것을 보여준다. 도 3b는 대략적으로 실리콘 함량을 함수로 하여 시즈닝 층의 비저항을 도시한 그래프이다. 도 3b의 그래프는 개략적인 것이고 실척으로 도시된 것이 아니다. 도 3b는 약 1012 Ω-m 로부터 109 Ω-m 로 비저항이 감소하는 것을 도시한다. 도 3c는 시즈닝 층의 비저항을 대략적인 함수로 하여 웨이퍼-척 경계에 포획된 전기 전하를 방전하기 위한 시간을 나타낸 그래프이다. 도 3c의 그래프는 개략적인 것이고 실척으로 도시된 것이 아니다. 도 3c는 0.33의 실리콘 함량에서 몇 시간의 최대 시간으로부터, 시즈닝 층 실리콘 함량이 0.33으로부터 1.00으로 증대됨에 따라, 초 단위의 최소 시간으로 감소되는 방전시간을 도시한다. 실리콘 함량이 0.65 초과로 높아짐에 따라, 방전 시간은 몇 분 범위로 감소된다. 도 3d는 이온 주입 프로세스 동안에 챔버 벽에 대한 시즈닝 층의 부착 퍼센티지(percentage of the seasoning layer adhering)를 (이산화 실리콘 시즈닝 층의 부착에 대비해서) 실리콘 함량을 개략적인 함수로 하여 도시한 그래프이다. 도 3d의 그래프는 개략적인 것이고 실척으로 도시된 것이 아니다. 도 3d는 실리콘 함량이 약 0.85를 초과할 때 급격하게 접착이 낙하된다는 것을 도시한다. 도 3c의 그래프는, 방전 시간이 분 단위로 감소하기 위해서는, 실리콘 함량이 약 0.65를 초과하여야 한다는 것을 보여준다. 도 3d는 실리콘 함량이 약 0.85를 초과하기 시작하면 부착 특성이 저하된다는 것을 보여준다. 그에 따라, 일 실시예에서, 매우 짧은 포획 전하 방전 시간을 구현하면서도 이산화실리콘 시즈닝 층에 대비한 상대적으로 양호한 부착 특성을 유지하기 위해서, 실리콘 함량이 약 0.70 내지 0.85로 제한된다. 이는, 도 3a에 도시된 바와 같이, 실란 가스 유량을 약 200-400 sccm으로 제한함으로써 달성된다. 산소 함량 'y' 및 수소 함량 'z'가 달라질 수 있을 것이나, 도 4의 그래프에 도시된 바와 같이, 그들의 합 'y+z'는 반드시 '1-x'가 되어야 할 것이다. 예를 들어, 실리콘 함량이 x = 0.85 라면, y+z = 0.15가 될 것이다.

Claims (14)

  1. 플라즈마 반응기 챔버 내의 반도체 공작물 상에서 플라즈마 침지형 이온 주입을 실시하기 위한 방법으로서:
    공작물을 반응기 내로 도입하기에 앞서서, 부분적으로 전도성을 가지는 시즈닝 필름을 상기 챔버의 내부 표면에 증착하는 단계로서, 상기 시즈닝 필름이 실리콘, 산소 및 수소를 포함하고 그리고 70% 내지 85%의 실리콘 함량을 가지는, 시즈닝 필름 증착 단계;
    상기 공작물 지지 표면의 하부에 위치되고 그리고 공작물 지지 표면으로부터 절연된 전극으로 정전기 클램핑 전압을 인가하여 반응기 챔버 내의 공작물 지지 표면 상에 공작물을 정전기적으로 클램핑하는 단계;
    RF 소오스 파워 발생기로부터 프로세스 가스로 RF 플라즈마 소오스 파워를 커플링하여 상기 챔버 내에서 공작물 내로 이온 주입하고자 하는 종들을 포함하는 프로세스 가스로부터 플라즈마를 생성하는 단계;
    주입하고자 하는 종들의 공작물의 표면 아래에서의 원하는 이온 주입 깊이 프로파일에 상응하는 5-20 kV의 RF 바이어스 전압을 공작물 상에서 생성하기 위해서, RF 바이어스 파워 발생기로부터 디스크-형상의 전극으로 RF 바이어스 파워를 인가하는 단계로서, 상기 디스크-형상의 전극은 상기 공작물의 하부에 위치되고 상기 공작물로부터 절연되며 공작물의 원주방향 엣지의 아래쪽에 놓이는 원주방향 엣지를 구비하며, 상기 정전기 클램핑 전압은 RF 바이어스 전압의 D.C. 성분과 같거나 그 보다 큰, RF 바이어스 파워 인가 단계; 그리고,
    상기 클램핑 전압을 턴오프하고, 상기 공작물 지지 표면을 덮고 있는 시즈닝 필름의 일부를 통해서 상기 공작물이 전기적으로 방전되는 것을 기다리고, 그리고 그 후에 상기 공작물 지지 표면으로부터 상기 공작물을 상승시킴으로써, 상기 공작물을 제거하는 단계를 포함하는
    플라즈마 침지형 이온 주입을 실시하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 시즈닝 필름 증착 단계가 챔버 내로 실리콘-함유 가스를 유동시키는 단계를 포함하며, 그에 따라 실리콘 함량이 상기 시즈닝 필름 내에서 109 Ω-m의 전기 비저항을 제공하는
    플라즈마 침지형 이온 주입을 실시하기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공작물 지지 표면으로부터 공작물을 제거한 후에, 상기 시즈닝 필름이:
    (a) 원격 플라즈마 소오스 내에서 생성된 플라즈마 내에서 불소-함유 가스를 분해하는 단계; 및
    (b) 상기 원격 플라즈마 소오스로부터의 플라즈마 부산물을 상기 챔버 내로 공급하는 단계;
    에 의해서 제거되는
    플라즈마 침지형 이온 주입을 실시하기 위한 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 시즈닝 필름의 제거 동안에 상기 챔버 내에서 플라즈마 생성을 억제(refraining)하는 단계를 더 포함하는
    플라즈마 침지형 이온 주입을 실시하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 시즈닝 필름이 필름 내에서 1010 Ω-m 미만의 전기 비저항을 제공하는 실리콘 함량을 포함하는
    플라즈마 침지형 이온 주입을 실시하기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 시즈닝 필름 증착 단계는, 실리콘-함유 가스 및 산소 가스로 RF 플라즈마 소오스 파워를 인가하면서, 각각 200-400 sccm 및 50-100 sccm의 유량으로 실리콘-함유 가스 및 산소를 상기 챔버 내로 유동시키는 단계를 포함하는
    플라즈마 침지형 이온 주입을 실시하기 위한 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 RF 플라즈마 소오스 파워가 상기 공작물 지지 표면의 직경에 걸쳐 분리된 포트들의 쌍에 커플링된 한 쌍의 상호 횡단 외부 재진입 도관으로 인가되는
    플라즈마 침지형 이온 주입을 실시하기 위한 방법.
  8. 플라즈마 반응기 챔버 내의 반도체 공작물 상에서 플라즈마 침지형 이온 주입을 실시하기 위한 방법으로서:
    공작물을 반응기 내로 도입하기에 앞서서, 부분적으로 전도성을 가지는 시즈닝 필름을 상기 챔버의 내부 표면에 증착하는 단계로서, 상기 시즈닝 필름이 실리콘, 산소 및 수소를 포함하고 그리고 상기 필름 내에서 1010 Ω-m 미만의 전기 비저항을 제공하는 실리콘 함량을 가지며, 상기 실리콘 함량은 상기 필름이 비-분말형 고체 코팅으로 증착되도록 제한되는, 시즈닝 필름 증착 단계;
    상기 공작물 지지 표면의 하부에 위치되고 그리고 상기 공작물 지지 표면으로부터 절연된 전극으로 정전기 클램핑 전압을 인가하여 반응기 챔버 내의 공작물 지지 표면 상에 공작물을 정전기적으로 클램핑하는 단계;
    RF 소오스 파워 발생기로부터 프로세스 가스로 RF 플라즈마 소오스 파워를 커플링하여 상기 챔버 내에서 공작물 내로 이온 주입하고자 하는 종들을 포함하는 프로세스 가스로부터 플라즈마를 생성하는 단계;
    주입하고자 하는 종들의 공작물의 표면 아래에서의 원하는 이온 주입 깊이 프로파일에 상응하는 5-20 kV의 RF 바이어스 전압을 공작물 상에서 생성하기 위해서, RF 바이어스 파워 발생기로부터 디스크-형상의 전극으로 RF 바이어스 파워를 인가하는 단계로서, 상기 디스크-형상의 전극은 상기 공작물의 하부에 위치되고 상기 공작물로부터 절연되며 공작물의 원주방향 엣지의 아래쪽에 놓이는 원주방향 엣지를 구비하며, 상기 정전기 클램핑 전압은 RF 바이어스 전압의 D.C. 성분과 같거나 그 보다 큰, RF 바이어스 파워 인가 단계; 그리고,
    상기 클램핑 전압을 턴오프하고, 상기 공작물 지지 표면을 덮고 있는 시즈닝 필름의 일부를 통해서 상기 공작물이 전기적으로 방전되는 것을 기다리고, 그리고 그 후에 상기 공작물 지지 표면으로부터 상기 공작물을 상승시킴으로써, 상기 공작물을 제거하는 단계를 포함하는
    플라즈마 침지형 이온 주입을 실시하기 위한 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 시즈닝 필름 증착 단계가 챔버 내로 실리콘-함유 가스를 유동시키는 단계를 포함하며, 그에 따라 실리콘 함량이 상기 시즈닝 필름 내에서 109 Ω-m의 전기 비저항을 제공하는
    플라즈마 침지형 이온 주입을 실시하기 위한 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 공작물 지지 표면으로부터 공작물을 제거한 후에, 상기 시즈닝 필름이:
    (a) 원격 플라즈마 소오스 내에서 생성된 플라즈마 내에서 불소-함유 가스를 분해하는 단계; 및
    (b) 상기 원격 플라즈마 소오스로부터의 플라즈마 부산물을 상기 챔버 내로 공급하는 단계;
    에 의해서 제거되는
    플라즈마 침지형 이온 주입을 실시하기 위한 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 시즈닝 필름의 제거 동안에 상기 챔버 내에서 플라즈마 생성을 억제하는 단계를 더 포함하는
    플라즈마 침지형 이온 주입을 실시하기 위한 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 시즈닝 필름 증착 단계는, 실리콘-함유 가스 및 산소 가스로 RF 플라즈마 소오스 파워를 인가하면서, 각각 200-400 sccm 및 50-100 sccm의 유량으로 실리콘-함유 가스 및 산소를 상기 챔버 내로 유동시키는 단계를 포함하는
    플라즈마 침지형 이온 주입을 실시하기 위한 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 RF 플라즈마 소오스 파워가 상기 공작물 지지 표면의 직경에 걸쳐 분리된 포트들의 쌍에 커플링된 한 쌍의 상호 횡단 외부 재진입 도관으로 인가되는
    플라즈마 침지형 이온 주입을 실시하기 위한 방법.
  14. 삭제
KR1020107019876A 2008-02-06 2009-01-19 챔버 내부 표면 상의 순수한 또는 거의 순수한 실리콘 시즈닝 층을 이용하는 플라즈마 침지형 이온 주입 방법 Active KR101160006B1 (ko)

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US12/069,424 US7968439B2 (en) 2008-02-06 2008-02-06 Plasma immersion ion implantation method using a pure or nearly pure silicon seasoning layer on the chamber interior surfaces
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