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KR100576194B1 - 대출력 펄스 ｒｆ 플라즈마를 이용한 매몰 절연막제조장치 및 제조방법 - Google Patents

대출력 펄스 ｒｆ 플라즈마를 이용한 매몰 절연막제조장치 및 제조방법 Download PDF

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KR100576194B1
KR100576194B1 KR1020040102291A KR20040102291A KR100576194B1 KR 100576194 B1 KR100576194 B1 KR 100576194B1 KR 1020040102291 A KR1020040102291 A KR 1020040102291A KR 20040102291 A KR20040102291 A KR 20040102291A KR 100576194 B1 KR100576194 B1 KR 100576194B1
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KR
South Korea
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plasma
sample
pulse
insulating film
vacuum chamber
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Inventor
한승희
이연희
김영우
Original Assignee
한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명은 기존의 연속적인 플라즈마 대신에 대출력 펄스 RF 플라즈마를 이용하여 높은 수율을 가지는 Silicon-on-insulator(SOI)기판을 제조할 수 있도록 하는 대출력 펄스 RF 플라즈마를 이용한 매몰 절연막 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다. 시료를 진공조 내에 위치시키고, 진공조 내에 사용가스를 주입한다. 진공조 내에 RF 펄스를 공급하여 사용가스로부터 고밀도 플라즈마를 발생시킨다. 발생된 플라즈마 이온이 시료에 충돌하여 시료표면에 이온을 주입시키기에 충분한 이온 에너지를 가지고 시료를 향해 가속되도록 시료에 음(-)의 고전압 펄스를 가하여 이온을 주입한다. 이 때, RF 펄스발생과 음(-)의 고전압 펄스발생을 동기화시킨다. 그리고, 시료를 어닐링하여 절연막을 형성시킨다.
RF 펄스, 플라즈마, 웨이퍼, 매몰 절연막, 어닐링

Description

대출력 펄스 ＲＦ 플라즈마를 이용한 매몰 절연막 제조장치 및 제조방법{DEVICE AND METHOD OF FABRICATING BURIED INSULATOR LAYER USING HIGH-POWER PULSED RF PLASMA}
도 1은 본 발명에 따른 대출력 펄스 RF 플라즈마를 이용한 매몰 절연막 제조장치를 개략적으로 보인 구성도,
도 2의 (a) 및 (b)는 각각 본 발명에 따른 대출력 펄스 RF 플라즈마를 이용한 매몰 절연막 제조장치에서의 RF 출력전압 및 타겟에 인가된 전압의 파형도,
도 3은 본 발명에 따른 대출력 펄스 RF 플라즈마를 이용한 매몰 절연막 제조장치에 의해 얻어진 SOI구조의 투과 전자현미경 단면사진.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 진공조
12: 진공펌퍼
14: 가스주입장치
16: 안테나
18: 펄스 RF전력장치
20: 매칭네트워크
22: 시료지지대
24: 고전압 펄스발생장치
26: 트리거 펄스 발생기
28: 플라즈마 측정장치
30: 영구자석
w: 웨이퍼
본 발명은 반도체 소자 제조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실리콘 기판 상에 매몰 절연막을 형성시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 기술의 발전에 따라 디바이스 성능 향상 및 저전력 소비와 같은 차세대 반도체 소자를 제작하기 위하여 공정 기술 개발뿐만 아니라 핵심 소재인 실리콘 웨이퍼의 개발이 중요한 과제로 대두되고 있다. 특히, 기존 웨이퍼의 한계를 극복할 대안으로 실리콘 단결정 구조 사이에 buried oxide(BOX)라고 불리는 SiO2층이 내재된 Silicon-on-insulator(SOI) 웨이퍼가 핵심 요소로 떠오르고 있다.
이러한 SOI구조를 형성하기 위하여 이용되고 있는 종래의 방법으로는 두 개의 실리콘 웨이퍼에 산화막을 형성하여 접합시켜서 매몰 산화막을 형성하는 웨이퍼 접합방식과, 높은 에너지로 이온빔을 가속하여 실리콘 내부에 주입한 후 어닐링을 통한 매몰 산화막을 형성하는 사이목스(Separation by IMplanted OXygen, SIMOX)방 식을 들 수 있다. 그러나, 웨이퍼 접합방식은 접합공정이 번거롭고 많은 시간이 소요되는 단점이 있고, 사이목스방식은 이온빔을 높은 도즈(dose)로 주입하기 위한 이온빔 가속기의 낮은 빔 전류로 인해서 공정시간이 길어지며 장치가 복잡하고 비용이 많이 드는 단점이 있다.
미국특허번호 제4,764,394호와 대한민국특허 등록번호 제137704호에 개시된 플라즈마와 고전압 펄스를 이용하는 플라즈마 이온주입 기술이 SOI 기판제조에 응용될 수 있는데, 이러한 플라즈마 이온주입 기술은 플라즈마 소스로서 기존의 연속적인 플라즈마를 사용하므로 일반적으로 1% 미만의 듀티(duty) 사이클을 가지는 주기적인 펄스를 사용하는 플라즈마 이온주입 기술의 특성상 펄스와 펄스 사이에서는 플라즈마 부유 전위에 해당하는 에너지로 시료에 이온 충돌 현상이 발생하여 원하지 않는 물리적, 화학적 반응이 일어날 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 기존의 연속적인 플라즈마 대신에 대출력 펄스 RF 플라즈마를 이용하여 높은 수율을 가지는 SOI기판을 제조할 수 있도록 하는 대출력 펄스 RF 플라즈마를 이용한 매몰 절연막 제조장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 대출력 펄스 RF 플라즈마를 이용한 매몰 절연막 제조장치를 사용하여 플라즈마 이온주입 후 고온의 어닐링 공정을 통하여 높은 수율을 가지는 SOI기판을 제조하기 위한 매몰 절연막 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 대출력 펄스 RF 플라즈마를 이용 한 매몰 절연막 제조장치는 진공조; 진공조 내에 시료를 지지하기 위한 지지대; 음(-)의 고전압 펄스를 발생하여 시료를 인가하기 위한 고전압 펄스 발생장치; 진공조 내에 주입된 가스로부터 펄스 플라즈마를 형성하기 위한 안테나; 안테나와 연결되어 RF 펄스를 공급하기 위한 펄스 RF 전력장치; 그리고 고전압 펄스 발생장치와 펄스 RF 전력장치의 사이에 연결설치되는 트리거 펄스 발생기로 이루어진다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 대출력 펄스 RF 플라즈마를 이용한 매몰 절연막 제조방법은 시료를 진공조 내에 위치시키는 단계; 진공조 내에 사용가스를 주입하는 단계; 진공조 내에 RF 펄스를 공급하여 사용가스로부터 고밀도 플라즈마를 발생시키는 단계; 발생된 플라즈마 이온이 시료에 충돌하여 시료표면에 이온을 주입시키기에 충분한 이온 에너지를 가지고 시료를 향해 가속되도록 시료에 음(-)의 고전압 펄스를 가하여 이온을 주입하는 단계; RF 펄스발생과 음(-)의 고전압 펄스발생을 동기화시키는 단계; 그리고 절연막이 형성되도록 시료를 어닐링하는 단계를 포함한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 대출력 펄스 RF(Radio Frequency) 플라즈마를 이용한 매몰 절연막 제조장치를 개략적으로 보인 구성도이다.
도시된 바와 같이, 진공조(10)의 내부에는 시료인 웨이퍼(w)를 지지하기 위한 시료지지대(22)가 진공조(10)의 저면으로부터 연장설치되고, 가스주입장치(14) 로부터 진공조(10)의 내부로 주입되는 사용가스를 이용하여 펄스 플라즈마를 발생시키기 위한 안테나(16)가 웨이퍼(w)의 상측에 설치된다. 진공조(10)는 전기적으로 접지되어 있으며, 진공펌프(12)에 의해 진공도가 유지된다.
발생된 플라즈마 이온이 웨이퍼(w)에 충돌하여 웨이퍼(w) 표면에 이온을 주입시키기에 충분한 이온 에너지를 가지고 웨이퍼(w)를 향해 가속되도록 웨이퍼(w)에 음(-)의 고전압 펄스를 발생하여 인가시키기 위한 고전압 펄스 발생장치(24)가 시료지지대(22)에 연결되어 설치된다. 안테나(16)에는 RF 펄스를 공급하여 플라즈마가 발생되도록 하기 위한 펄스 RF 전력장치(18)가 연결되며, 안테나(16)와 펄스 RF 전력장치(18) 사이에는 이들을 전기적으로 매칭시켜 주기 위한 매칭네트워크(20)가 설치된다. 고전압 펄스 발생장치(24)와 펄스 RF 전력장치(18) 사이에는 이들을 동기화(synchronization)시킴으로써 동일한 시간에서 움직이도록 하기 위한 트리거 펄스 발생기(26)가 연결설치된다.
진공조(10) 내에 발생된 플라즈마는 진공조(10)의 외면 둘레에 장착되는 복수의 영구자석(30)이 형성하는 자장에 의해 진공조(10) 내에 가두어지기 때문에 고밀도이며 균일하게 유지된다. 또한, 플라즈마의 온도 및 밀도는 플라즈마 측정장치(28), 예를 들어 랑뮤어 프로브에 의해 측정하여 적절하게 조절이 가능하다. 진공조(10) 내로 주입되는 플라즈마원 가스로는 산소, 질소 또는 암모니아 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 플라즈마를 발생시키기 위한 안테나(16)는 진공조(10)와의 사이에 소정의 절연체를 개재하여 진공조(10)의 외부에 장착될 수도 있다.
이하에서는 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 대출력 펄스 RF 플라즈마를 이용한 매몰 절연막 제조장치를 이용한 제조방법에 대해 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 매몰 절연막 제조방법은 시료를 진공조 내에 위치시키는 단계; 진공조 내에 사용가스를 주입하는 단계; 진공조 내에 RF 펄스를 공급하여 사용가스로부터 고밀도 플라즈마를 발생시키는 단계; 발생된 플라즈마 이온이 시료에 충돌하여 시료표면에 이온을 주입시키기에 충분한 이온 에너지를 가지고 시료를 향해 가속되도록 시료에 음(-)의 고전압 펄스를 가하여 이온을 주입하는 단계; RF 펄스발생과 음(-)의 고전압 펄스발생을 동기화시키는 단계; 그리고 절연막이 형성되도록 시료를 어닐링하는 단계를 포함한다.
이에 한정되는 것은 아니지만 하나의 실시예를 들어 상세히 설명하면, 도 2의 (a)로 나타낸 바와 같이, 펄스 RF 출력전압의 최대측정치는 대략 1.2㎸이며, 이를 RF 전력으로 나타낼 경우에는 대략 14㎾에 해당되고, 평균 RF 전력은 200W에 해당된다. 진공조(10)내의 압력은 산소 1mTorr로 하였으며, 펄스폭 600㎲, 펄스주파수 25㎐를 진공조(10) 내부의 안테나(16)에 인가하여 펄스 플라즈마를 발생시켰다. 이 때, 플라즈마 측정장치(28)를 이용하여 측정한 플라즈마의 밀도는 대략 2×1011/cm3이었으며, RF 전력을 증가시킬 경우 이온화율이 1% 이상이 되는 고밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있었다.
상기 실시예에 근거하여, SOI 기판제조를 위한 대출력 펄스 RF 전력장치(18)에서 발생되는 RF 펄스는 펄스폭 10㎲~1000㎲, 펄스주파수 10㎐~10㎑ 및 최대 펄스 전력 1㎾~100㎾의 값들을 사용할 수 있으며, RF 주파수는 13.56㎒를 사용하는데, 다른 주파수를 사용할 수도 있다.
도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이, 타겟, 즉 웨이퍼(w)에 가해지는 음(-)의 고전압 펄스는 10㎸~100㎸, 펄스폭은 10㎲~500㎲, 펄스주파수 10㎐~10㎑의 값들을 사용한다. 이러한 고전압 펄스는 트리거 펄스 발생기(26)에 의해 펄스 플라즈마와 동기화된다.
상기와 같은 플라즈마 이온주입단계에 있어서, 예를 들어 산소 플라즈마는 대부분 O2 +이온으로 구성되어 있으며, O2 + 또는 O+ 이온이 90% 이상이 되도록 하는 것이 SOI기판 내부에 단층의 매몰 절연막을 형성하는데 바람직하다.
플라즈마 이온주입단계시 이온주입으로 인하여 손상되는 격자의 회복을 위해서 이온주입시 웨이퍼(w)의 온도는 대략 550℃~650℃로 제어되어야 하는데, 본 발명에 따른 펄스 RF 플라즈마를 사용하면 1×1016/㎠~1×1018/㎠의 높은 도즈로 인해 별도의 웨이퍼 가열장치를 사용하지 않고도 격자의 손상을 회복시킬 수 있으며, 짧은 주입 시간으로 인해 웨이퍼 처리량을 증가시킬 수 있다.
플라즈마 이온주입단계 이후에, 주입된 이온의 절연막 형성을 위해 1200℃~1400℃의 고온에서 0.1%~5.0%의 산소가 첨가된 아르곤 분위기에서 어닐링을 실시하는 단계가 실행된다. 이 때, 어닐링 공정중 실리콘의 표면이 손상되는 것을 방지하기 위해 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막 등으로 이루어지는 보호막을 실리콘 표면에 형성하는 단계가 어닐링 단계 이전에 선행되는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명에 따른 대출력 펄스 RF 플라즈마를 이용한 매몰 절연막 제조장치 및 방법에 의해 얻어진 SOI구조의 투과 전자현미경 단면사진이다.
p형 실리콘 기판(40)에 펄스 RF 전력장치(18)를 통해 발생한 산소 플라즈마 이온을 65㎸로 주입시킨 후 200㎚의 실리콘 질화막(46)을 증착한 후 아르곤에 0.5% 산소가 첨가된 분위기에서 1350℃에서 30분동안 어닐링을 하였다. 도 3에서 보듯이 실리콘 기판(40)위에 매몰 산화막(42)과 상부 실리콘막(44)으로 이루어진 SOI 구조가 형성됨을 알 수 있으며, 주입 에너지, 이온양 및 열처리 조건 등에 의해서 매몰 산화막(42)과 상부 실리콘막(44)의 두께는 달라질 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 대출력 펄스 RF 플라즈마를 이용한 매몰 절연막 제조장치 및 제조방법에 따르면, 이온주입이 이루어지는 동안만 플라즈마가 형성되므로 기존의 연속적인 플라즈마보다 낮은 평균 RF 전력을 인가하여도 매우 높은 플라즈마 밀도를 갖고 있어서 짧은 시간에서도 많은 이온양을 주입할 수 있으며, 고밀도에 따른 플라즈마 쉬스(sheath)가 매우 작아서 웨이퍼에 균일하게 이온주입을 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 진공조;
    상기 진공조 내에 시료를 지지하기 위한 지지대;
    음(-)의 고전압 펄스를 발생하여 상기 시료를 인가하기 위한 고전압 펄스 발생장치;
    상기 진공조 내에 주입된 가스로부터 펄스 플라즈마를 형성하기 위한 안테나;
    상기 안테나와 연결되어 RF(Radio Frequency) 펄스를 공급하기 위한 펄스 RF 전력장치; 그리고
    상기 고전압 펄스 발생장치와 상기 펄스 RF 전력장치의 사이에 연결설치되는 트리거 펄스 발생기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 대출력 펄스 RF 플라즈마를 이용한 매몰 절연막 제조장치.
  2. 대출력 펄스 RF 플라즈마를 이용한 매몰 절연막 제조방법에 있어서,
    시료를 진공조 내에 위치시키는 단계;
    상기 진공조 내에 사용가스를 주입하는 단계;
    상기 진공조 내에 RF 펄스를 공급하여 상기 사용가스로부터 고밀도 플라즈마를 발생시키는 단계;
    발생된 플라즈마 이온이 시료에 충돌하여 시료표면에 이온을 주입시키기에 충분한 이온 에너지를 가지고 시료를 향해 가속되도록 시료에 음(-)의 고전압 펄스를 가하여 이온을 주입하는 단계;
    RF 펄스발생과 음(-)의 고전압 펄스발생을 동기화시키는 단계; 그리고
    절연막이 형성되도록 시료를 어닐링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대출력 펄스 RF 플라즈마를 이용한 매몰 절연막 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 RF 펄스는 펄스폭 10㎲~1000㎲, 펄스주파수 10㎐~10㎑, 최대 펄스전력 1㎾~100㎾인 것을 특징으로 하는 대출력 펄스 RF 플라즈마를 이용한 매몰 절연막 제조방법.
  4. 제 2항에 있어서, 음(-)의 고전압 펄스는 10㎸~100㎸, 펄스폭 10㎲~500㎲, 펄스주파수 10㎐~10㎑를 갖는 것을 특징으로 하는 대출력 펄스 RF 플라즈마를 이용한 매몰 절연막 제조방법.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 이온을 주입하는 단계에서 시료의 온도를 550℃~650℃으로 유지하면서 1×1016/㎠~1×1018/㎠의 도즈로 이온주입하는 것을 특징으로 하는 대출력 펄스 RF 플라즈마를 이용한 매몰 절연막 제조방법.
  6. 제 2항에 있어서, 상기 어닐링하는 단계는 0.1%~5.0%의 산소가 첨가된 아르 곤 분위기에서 1200℃~1400℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 대출력 펄스 RF 플라즈마를 이용한 매몰 절연막 제조방법.
  7. 제 2항에 있어서, 상기 어닐링하는 단계 이전에 시료의 표면에 보호막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 대출력 펄스 RF 플라즈마를 이용한 매몰 절연막 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 보호막은 실리콘 산화막인 것을 특징으로 하는 대출력 펄스 RF 플라즈마를 이용한 매몰 절연막 제조방법.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 보호막은 실리콘 질화막인 것을 특징으로 하는 대출력 펄스 RF 플라즈마를 이용한 매몰 절연막 제조방법.
KR1020040102291A 2004-12-07 2004-12-07 대출력 펄스 ｒｆ 플라즈마를 이용한 매몰 절연막제조장치 및 제조방법 Expired - Lifetime KR100576194B1 (ko)

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