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KR20060085247A - 불순물 도입 방법, 불순물 도입 장치 및 이들을 이용하여형성한 전자 소자 - Google Patents

불순물 도입 방법, 불순물 도입 장치 및 이들을 이용하여형성한 전자 소자 Download PDF

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KR20060085247A
KR20060085247A KR1020067005648A KR20067005648A KR20060085247A KR 20060085247 A KR20060085247 A KR 20060085247A KR 1020067005648 A KR1020067005648 A KR 1020067005648A KR 20067005648 A KR20067005648 A KR 20067005648A KR 20060085247 A KR20060085247 A KR 20060085247A
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KR
South Korea
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impurity
impurity introduction
annealing
plasma
region
Prior art date
Application number
KR1020067005648A
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English (en)
Inventor
쳉-구오 진
유이치로 사사키
번지 미즈노
Original Assignee
마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤 filed Critical 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 과제는 기판 온도의 상승을 초래하는 일 없이 불순물 도입을 실현하는 것이다. 불순물 도입 공정에서 생기는 격자 결함의 물성을 광학적으로 측정하여 이어지는 공정에 최적이 되도록 제어하는 것이다. 고체 기체 표면에 불순물을 도입하는 공정과, 상기 불순물이 도입된 영역의 광학적 특성을 측정하는 공정과, 상기 측정 결과를 바탕으로 상기 불순물이 도입된 영역의 광학적 특성에 맞추어 어닐 조건을 선정하는 공정과, 선정된 상기 어닐 조건에 기초하여 상기 불순물이 도입된 영역을 어닐하는 공정을 포함한다.
불순물, 도입, 전자소자

Description

불순물 도입 방법, 불순물 도입 장치 및 이들을 이용하여 형성한 전자 소자{IMPURITY INTRODUCING METHOD, IMPURITY INTRODUCING APPARATUS, AND ELECTRONIC DEVICE PRODUCED BY USING THOSE}
본 발명은 불순물 도입 방법, 불순물 도입 장치 및 이들을 이용하여 형성한 전자 소자에 관한 것으로, 특히 반도체 장치, 특히 전자 소자를 형성할 때의 불순물 도입 혹은 액정 패널의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 반도체 디바이스의 미세화에 따라, 얇은 접합을 형성하는 기술이 요구되고 있다. 종래의 반도체 제조 기술에서는 붕소(B), 인(P), 비소(As) 등의 각종 도전형 불순물을 고체 기체(基體)로서의 반도체 기판 표면에 저에너지로 이온 주입을 수행하는 방법이 널리 이용되고 있다.
이 이온 주입 방법을 이용하여, 얇은 접합을 갖는 반도체 디바이스가 형성되고 있지만, 얇은 접합을 형성할 수 있다고는 해도 이온 주입으로 형성할 수 있는 깊이에는 한계가 있다. 예를 들면, 붕소 불순물은 얇게 도입하는 것이 어려워, 이온 주입에서는 도입 영역의 깊이는 기체 표면으로부터 100nm 정도가 한계였다.
그런 점에서, 최근 더욱 얇은 접합을 가능하게 하는 수법으로서 여러 가지 도핑 방법이 제안되고 있는데, 그 중에서 플라즈마 도핑 기술이 실용화에 적합한 것으로 주목받아 오고 있다. 이 플라즈마 도핑은 도입해야 할 불순물을 함유한 반응 가스를 플라즈마 여기하고, 상기 고체 기체 표면에 플라즈마 조사하여 불순물을 도입하는 기술이다. 그리고, 불순물 도입 후 어닐 공정에 의해, 도입된 불순물의 활성화가 이루어진다.
통상적으로, 어닐 공정에서는 가시광, 적외선, 자외선 등의 넓은 파장 대역의 전자파를 발할 수 있는 광원이 이용되고 있다. 그러나, 활성화에 유효한 파장은 불순물이 도입되는 고체 기체 자체의 결정 상태에 따라 다르며, 실제로는 좁은 영역인 것이 많다. 불필요한 파장의 광조사를 수행함으로써, 기판 온도가 상승하여 특성 열화의 원인이 되는 경우가 있다.
최근, 고체 기체 표면에 도입된 불순물의 양을 광학적 측정에 의해 측정하는 방법이 제안되고 있다 (예를 들면 일본 공개특허 2000-282425호 공보 참조). 이 방법은 광학 측정으로 래디컬의 양을 특정하는 것으로서, 전류량을 검출함으로써 도핑량을 측정할 수 있다.
상기 방법에서는 불순물의 도입량, 즉 고체 기체 중에 도입된 불순물의 총량을 검출한다. 분명, 도입된 불순물의 총량을 측정하는 것은 중요한 일이지만, 실리콘 기판에 불순물을 도입하여 반도체 장치를 형성하는 경우나, 액정 기판에 TFT(박막 트랜지스터)를 형성하여 액정 패널 제조를 수행할 때, 불순물이 도입된 영역의 결정 상태, 즉 어느 만큼의 격자 결함이 도입되고 있는지 등의 상태를 검지하는 것은 최적의 플라즈마 도핑과 이어서 실시되는 광조사 등의 에너지 조사에 의한 최적의 어닐을 실현하는데 매우 중요하다.
본 발명은 상기 실정을 감안하여 이루어진 것으로서, 기판 온도의 상승을 초래하는 일 없이 불순물의 전기적인 활성화를 실현하기 위한 불순물 도입 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 실리콘 기판으로의 반도체 장치의 형성 혹은 액정 패널 제조 등에 있어, 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘에 대하여 불순물 도입 공정에서 생기는 격자 결함의 물성을 광학적으로 측정하여, 이어지는 공정에 최적이 되도록 불순물 도입 공정에 있어서의 조건을 제어하는 것을 목적으로 한다.
그런 점에서, 본 발명에서는 고체 기체(基體) 표면에 불순물을 도입하는 공정과, 상기 불순물이 도입된 영역의 광학적 특성을 측정하는 공정과, 상기 측정 결과를 바탕으로 상기 불순물이 도입된 영역의 광학적 특성에 맞추어 어닐 조건을 선정하는 공정과, 선정된 상기 어닐 조건에 기초하여 상기 불순물이 도입된 영역을 어닐하는 공정을 포함한다.
이 방법에 의해, 미리 불순물이 도입된 영역의 광학적 특성을 측정하고 이 광학적 특성에 따라 최적의 어닐을 실현할 수 있어, 고정밀도인 동시에 고효율로 불순물 영역을 형성할 수 있다.
단, 불순물을 도입하는 공정이라 함은 단순히 불순물의 도입뿐만 아니라, 계속해서 실시되는 광조사를 중심으로 하는 어닐 공정에 있어서, 효율적으로 에너지가 흡수되도록 하기 위하여 어닐 공정에 최적인 광학적 특성이 되도록 표면 상태를 제어하는 공정을 포함하는 것으로 한다. 이 광학적 특성의 제어는 플라즈마를 형성하는 불순물 물질과, 이들에 대한 혼합 물질로서의 불활성 물질 혹은 반응성 물질의 혼합비를 변화시킴으로써 상기 플라즈마의 조성을 제어하여, 불순물이 도입된 영역의 광학적 특성을 제어하는 것을 포함한다. 즉, 불순물 물질과, 질소, 희석 가스 등의 불활성 물질, 산소, 실란, 디실란 등의 반응성 물질의 공급과 동시에, 또는 그에 순차적으로 고체 기체 표면에 공급되어, 어닐 공정에 최적인 광학적 특성을 형성하는 공정을 포함한다. 본 발명에서의 「불순물 도입 방법」이라 함은 어닐 공정을 포함하는 상기 일련의 공정을 가리키는 것으로 한다.
또한, 본 발명에서는 상기 불순물을 도입하는 공정이 플라즈마 도핑 공정을 포함한다.
이 방법에 의하면, 얇은 영역에 불순물을 도입할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 불순물을 도입하는 공정이 이온 주입 공정을 포함한다.
이 방법에 의하면, 이어서 실시하는 광조사를 중심으로 한 어닐 공정의 고효율화를 도모함과 동시에, 고정밀도의 플라즈마 도핑을 실현할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 불순물 도입 방법에 있어서, 상기 측정하는 공정은 상기 어닐 공정에 앞서 실행된다.
이 방법에 의해, 어닐 전에 불순물이 도입된 영역의 상태를 검지하고, 그런 후에 어닐 조건을 선택할 수 있어 최적인 활성화 상태를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 불순물 도입 방법에 있어서, 상기 측정하는 공정은 상기 어닐 공정과 병행하여 실행된다.
이 방법에 의해, 어닐 중에 불순물이 도입된 영역의 상태를 검지하고, 그런 후에 어닐 조건을 선택할 수 있어 최적인 활성화 상태를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 불순물 도입 방법에 있어서, 상기 어닐 공정은 여러 번으로 분할되고, 상기 측정하는 공정은 상기 어닐 공정 사이에 실행된다.
이 방법에 의해, 어닐 공정을 여러 번으로 나누어 어닐 중에 불순물이 도입된 영역의 상태를 검지하고, 그런 후에 어닐 조건을 선택하고 있기 때문에 최적인 활성화 상태를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 불순물 도입 방법에 있어서, 상기 어닐 조건을 선정하는 공정은 상기 어닐 공정 중의 불순물 도입 영역의 광학적 특성의 변화에 따라 상기 어닐 조건을 순차 변화시키는 공정을 포함한다.
이 방법에 의해, 어닐에 의한 불순물이 도입된 영역의 변화를 검지하고, 그런 후에 어닐 조건을 선택하고 있기 때문에, 보다 최적인 활성화 상태를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 불순물 도입 방법에 있어서, 상기 불순물 도입 공정은 여러 번으로 분할되고, 상기 측정하는 공정은 상기 불순물 도입 공정 사이에 실행된다.
이 방법에 의해, 불순물 도입 공정 사이에서 실행되기 때문에, 불순물 도입 공정에서의 챔버 내의 상황에 따라 정확한 측정이 가능하므로 고정밀도의 불순물 도입을 실현할 수 있다. 또한, 일단 불순물 도입을 정지할 필요가 있는데, 이 예는 상압 플라즈마를 이용한 도핑 등에도 유효하다.
또한, 본 발명에서는 상기 불순물 도입 방법에 있어서, 고체 기체 표면에 불순물을 도입하는 공정과, 상기 불순물이 도입된 영역의 광학적 특성을 측정하는 공정과, 상기 측정 결과를 바탕으로 어닐 조건에 맞추어 광학적 특성을 조정하는 공정과, 상기 불순물이 도입된 영역을 어닐하는 공정을 포함한다.
이 방법에 의해, 어닐 조건에 제약이 있는 경우에도 유효하다.
또한, 본 발명에서는 상기 불순물 도입 방법에 있어서, 상기 불순물이 도입된 영역의 광학 정수를 모니터하면서, 상기 광학 정수가 플라즈마 도핑 공정 후에 실시하는 광조사에 적합하도록 플라즈마 도핑 조건을 제어한다.
이 방법에 따르면, 보다 고정밀도의 깊이 및 도즈량을 갖는 불순물 영역을 형성할 수 있다. 여기에서 광학 정수로는 광흡수 계수 외에 반사율 등도 적용 가능하다.
또한, 본 발명에서는 상기 불순물 도입 방법에 있어서, 상기 측정하는 공정이 엘립소메트리를 이용한 공정이다.
또한, 본 발명에서는 상기 측정하는 공정이 불순물 도입층의 두께와 광 정수(굴절율(n)과 감광 계수(k)) 모두를 구하는 엘립소메트리 해석 공정을 포함한다.
또한, 본 발명에서는 엘립소메트리 해석 공정이 K-K(Kramers-Kronig) 해석, Tauc-Lorentz 해석, Cody-Lorentz 해석, Forouhi-Bloomer 해석, MDF 해석, 밴드 해석, 4배위(Tetrahedral) 해석, Drude 해석, Lorentz 해석 중 어느 하나를 이용한 굴절율 파장 분산 모델을 사용한 해석 공정을 포함한다. 상기의 굴절율 파장 분산 모델을 이용함으로써 흡수 특성을 취급할 수 있으므로 특히 바람직하다.
또한, 본 발명에서는 상기 불순물 도입 방법에 있어서, 상기 측정하는 공정이 ⅩPS를 이용한 공정인 것을 포함한다.
또한, 본 발명에서는 상기 불순물 도입 방법에 있어서, 상기 어닐 공정은 전자파를 조사하는 공정이다.
또한, 본 발명에서는 상기 불순물 도입 방법에 있어서, 상기 어닐 공정은 광조사 공정이다.
또한, 본 발명에서는, 상기 불순물 도입 방법에 있어서, 상기 불순물을 도입하는 공정은 상기 불순물이 도입된 영역의 광흡수 계수가 5E4㎝-1을 초과하도록 불순물을 도입하는 공정이다.
이로 인해 광흡수성이 높고 고효율인 어닐 조건을 선택할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 불순물 도입 방법에 있어서, 상기 플라즈마 도핑 공정은 플라즈마에 인가하는 전원 전압, 플라즈마의 조성, 불순물 물질을 포함하는 플라즈마 조사 시간과 불순물 물질을 포함하지 않는 플라즈마 조사 시간의 비 중 적어도 하나를 제어하는 공정을 포함한다.
이 방법에 의해, 효율적인 제어가 가능해 진다. 여기에서 플라즈마의 조성이라 함은 도펀트가 되는 불순물 물질과 그 외의 물질의 혼합비, 진공도, 그 외의 물질간의 혼합비 등을 조정하여 제어된다.
또한, 본 발명에서는 상기 불순물 도입 방법에 있어서, 플라즈마 도핑 공정은 불순물 물질, 이들에 대한 혼합 물질로서의 불활성 물질과 반응성 물질의 혼합비를 변화시킴으로써, 불순물이 도입된 영역의 광학적 특성을 제어하는 공정을 포함한다. 여기에서는, 불순물 물질로서의 비소, 인, 붕소, 알루미늄, 안티몬, 인듐 등의 물질, 이들에 대한 혼합 물질로서의 헬륨, 아르곤, 크세논 등의 불활성 물질, 질소, 산소, 실란, 디실란 등의 반응성 물질의 혼합비를 변화시킴으로써 광학적 특성을 제어한다.
또한, 본 발명에서는 상기 불순물 도입 방법에 있어서, 상기 플라즈마 도핑 공정은 상기 어닐 공정에 있어서, 상기 불순물이 도입된 영역에 포함되는 불순물의 전기적 활성화를 촉진함과 동시에, 상기 고체 기체로의 에너지 흡수를 억제할 수 있도록 상기 불순물이 도입된 영역의 광학 정수를 설정한다.
이 방법에 의해, 기체(基體) 온도를 상승시키는 일 없이 선택적으로 효율 좋게 어닐을 실현할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 불순물 도입 방법에 있어서, 고체 기체 표면에 불순물을 도입하는 플라즈마 도핑 수단과, 상기 불순물이 도입된 영역의 광학적 특성을 측정하는 측정 수단과, 상기 불순물이 도입된 영역을 어닐하는 어닐 수단을 구비하고 있다.
이로 인해, 용이하게 표면 상태의 검출이 가능해진다.
또한, 본 발명에서는 상기 불순물 도입 방법에 있어서, 상기 측정 수단의 측정 결과에 기초하여 상기 플라즈마 도핑 수단을 제어하는 도핑 제어 수단을 포함한다.
또한, 본 발명에서는 상기 불순물 도입 방법에 있어서, 상기 측정 수단의 측정 결과에 기초하여, 상기 어닐 수단을 조정하는 어닐 제어 수단을 포함한다.
또한, 본 발명에서는 상기 불순물 도입 방법에 있어서, 상기 측정 수단의 측정 결과를 상기 어닐 제어 수단 또는 불순물 도입 제어 수단 중 어느 하나에 피드백하는 피드백 기구를 포함한다.
또한, 본 발명에서는 상기 피드백 기구가 측정 결과의 피드백을 그 자리(In-situ)에서 수행하는 것을 포함한다.
또한, 본 발명에서는 상기 피드백 기구가 고속으로 표본 검사를 실시하여, 불량인 경우에는 추가 도프, 혹은 어닐 조건 완화 등의 추가 프로세스를 실행하는 것을 포함한다.
또한, 본 발명에서는 상기 불순물 도입 방법 또는 불순물 도입 장치를 사용하여 불순물 도입하여 전자 소자가 형성된다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고체 기체(基體) 표면 근방에 발생하는 불순물 도입층의 광 측정을 설명하기 위한 도면.
도 2는 불순물 도입층의 두께와 광흡수 계수를 구하는 방법을 설명하기 위하여 사용하는 분광 엘립소미터의 구성도.
도 3은 엘립소메트리로 측정한 불순물 도입층의 광흡수 계수를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 도핑 방법을 응용한 본원 발명에 사용한 장치의 단면 구조도.
도 5는 샘플 PD-1(바이어스 전압 30V, 프로세스 시간 60초)와 PD-2(바이어스 전압 60V, 프로세스 시간 60초) 및 비교로서 결정 실리콘 기판의 흡수 계수의 스펙트럼을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예의 불순물 도입 방법에 따른 광흡수 계수의 프로세스 시간(a), 파장(b)에 대한 의존성을 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 제 6 실시예의 백색 광원과, 파장 선별용 필터를 이용한 어닐 장치의 설명도.
도 8은 본 발명의 제 7 실시예의 불순물 도입층을 질화 또는 산화했을 때의 특별한 효과를 설명하기 위한 고체 기체의 단면 모식도.
도 9는 본 발명의 제 8 실시예의 어닐 장치 장치 개념도.
도 10은 불순물 도입층을 어닐할 때에 시간 변화에 따른 파장의 광을 조사하는 예를 설명하기 위한 그래프.
[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]
100 고체 기체(基體) 110 불순물 도입층
120 광원 130 측광기
200 진공 챔버 210 진공 펌프
230 진공계 240 플라즈마원
250 전원 260 기판 홀더
270 전원 280 제 1 라인
290 제 2 라인 300 제 3 라인
310 플라즈마 320 계산기
340 제어 회로 350 제어기
500 기판 홀더 510 백색 광원
520 필터 530 선별된 광
600 질화한 막 610 산화한 막
700 레이저 광원 710 변조 필터
720 변조된 광
다음으로, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다.
본 발명은 크게 3개의 실시형태를 제공한다. 그 첫 번째는 고체 기체에 도입되는 불순물의 상태를 광학적 측정에 의해 검지하는 것이다. 이것은 단순히 불순물 그 자체의 광학적 측정뿐만 아니라, 고체 기체 자체의 결정 상태, 도입시의 에너지에 의한 데미지 등의 고체 기체의 결정 상태의 물리적 변화, 산화층 질화층의 생성 등 고체 기체의 화학적 변화도 포함한 "복합적인 층"의 상태로서, 광학적으로 측정하는 것을 의미한다. 두 번째는 이 검지된 불순물의 상태에 따라 어닐 조건을 최적화하는 것, 세 번째는 어닐 조건에 맞추어 불순물의 도입을 제어하는 것이다.
즉, 본 발명의 방법에서는 불순물의 상태를 파악한 후, 불순물의 도입에 대하여 피드백 제어를 수행하여 불순물 도입의 품질을 더욱 향상시킨다. 또한, 예를 들면, 본 발명의 중심적인 응용 분야인 반도체 장치나 액정 디스플레이에 있어서는, 고체 기체에 불순물 도입을 수행한 후에 기체에 여하의 방법으로 에너지를 부 여하여 반도체 중의 불순물을 전기적으로 활성화한다. 이 공정에서 최선의 결과를 이끌어 내기 위하여 불순물 도입 중의 공정을 제어한다.
(실시형태 1)
본 실시형태 1에서는 고체 기체에 대하여 격자의 결합 에너지보다도 충분히 높은 에너지(수 10eV 이상)의 입자를 이용하여 불순물 도입을 수행하는 방법에 대하여 설명한다. 이 고체 기체에 불순물 도입을 수행할 때, 격자의 결합 에너지보다도 충분히 높은 에너지(수 10eV 이상)의 입자를 이용할 경우에는 고체 기체를 형성하는 결정 혹은 비결정 물질을 구성하는 격자에 대한 격자 결함의 형성이나 불순물 물질 자체가 고체 기체의 물성을 변화시켜, 고체 기체(100)와는 다른 물성을 갖는 불순물이 도입된 영역(새로운 제 2 층)(110)이 형성된다.
또한, 열적 평형 상태를 변화시키는 경우 등, 비교적 도입 에너지가 작은 불순물 도입 공정에서는 불순물 도입 공정이 고체 기체의 물성을 변화시키는데 이어 고체 기체 표면의 바로 근방에 주로 불순물 물질 그 자체로 이루어지는 새로운(제 2) 층(110)이 형성된다.
그런 점에서, 엘립소메트리를 이용하여 도 1에 나타내는 바와 같이 광원(120)을 이용하여 고체 기체(100) 표면에 광을 조사하고, 측광기(130)로 광을 측정한다.
도 2의 분광 엘립소미터 구성도를 사용하여 불순물 도입층의 두께와 광흡수 계수를 엘립소메트리로 측정하는 방법을 설명한다.
이 분광 엘립소미터는 도 2에 나타내는 바와 같이, Xe 광원(20)과, 이 광원으로부터 출력되는 Xe광을 편광하여 시료(11)로서의 기판에 조사하는 편광자(21)와, 시료(11)로부터의 반사광을 검출하는 검광자(22)와, 분광기(23)와, 디텍터(24)를 구비하고 있다. 여기에서는, Xe 광원(20)으로부터 출력되는 Xe광을 편광자(21)에 의해 직선 편광으로 바꾸어, 기판면에 수직인 방향에 대하여 각도(θ0)로 기판에 입사시킨다. 본 측정에서는 θ0=70°고정으로 측정했지만, 각도를 45°부터 90° 사이로 변화시켜도 측정 가능하다. 입사광의 직선 편광의 축은 p방향(광축에 수직인 면과 입사광 및 반사광을 포함하는 면과의 교선의 방향)과, s방향(광축에 수직인 면 내에서 p방향에 수직인 방향)에 대하여 기울어 있다. 타원 편광으로서 반사되는 광의 p성분과 s성분 사이의 진폭 반사율비를 Ψ, 상기 p성분과 s성분 사이의 위상차를 Δ라 한다. 엘립소메트리에서는 타원 편광으로서 반사되는 광을 검광자(22)를 거친 후 분광기(23)에 입사시켜 분광하면서 디텍터(24)에 의해 Ψ, Δ를 측정하도록 구성되어 있다.
상기 Ψ, Δ의 엘립소메트리 측정 결과로부터, 불순물 도입층의 두께뿐만 아니라 광 정수(굴절율(n)과 감광 계수(k))도 미지(未知)인 파라미터로서, 최소 2승법에 의해 구하는 방법을 설명한다. 불순물 도입층을 PD층이라 지칭하고, Air/PD층／c－Si의 3층 모델을 사용하였다. 광 계수는 기본적으로 파장 의존성이 있기 때문에, 파장을 바꾸어서 측정하면 측정 파장의 수만큼 미지인 파라미터가 늘어나게 되어 구할 수가 없다. 이러한 경우에는 광 계수의 스펙트럼을 파장에 의존하지 않는 정수를 포함하는 근사식으로 나타내고, 그 정수를 미지인 파라미터로 함으로써, 광 계수의 스펙트럼도 구할 수 있다.
굴절율 파장 분산 모델로는 다양한 예가 제안되어 있지만, PD층의 강한 흡수 특성을 다루기 위하여, 본 실시형태에서는 K-K(kramers-Kronig) 해석 방법을 사용하였다. 굴절율 파장 분산 모델로서, Tauc-Lorentz 해석, Cody-Lorentz 해석, Forouhi-Bloomer 해석, MDF 해석, 밴드 해석, 4배위(Tetrahedral) 해석, Drude 해석, Lorentz 해석 방법 등을 사용하여도 상기 해석이 가능하다.
다음으로, K-K(Kramers-Kronig) 해석 방법의 특징에 대하여 설명한다.
측정 파장 범위 내에 박막층의 광의 흡수대가 있는 경우에는, 다음의 Kramers-Kronig의 관계식으로부터 도출되는 복소 굴절율의 분산식(식 1)을 이용하여 굴절율뿐만 아니라 감광 정수를 구할 수 있다.
Figure 112006019948911-PCT00001
여기에서 P는 코쉬(Cauchy) 적분의 주값(主値), ω는 주파수이다.
이 관계식은 감광 계수를 미리 알고 있으면, 굴절율을 감광 계수로부터 추정할 수 있다는 것을 나타내고 있다. 측정 파장 범위 내에 광의 흡수대가 있는 경우, 그 파장 영역의 감광 계수 스펙트럼을 로렌츠(Lorentz)형의 식(식 2)으로 비슷하다.
k=Cl(E-C4)2/(E 2-C2E+C3)
여기에서 E는 Photon Energy(eV)이고, 파장(λ(nm))은 다음 식 3에 나타내는 관계에 있다.
E(eV)=1239.84/λ(nm)
식 2에서 식 1의 Kramers-Kronig의 관계식에 의해 적분함으로써, 굴절율의 다음 식 4를 유도할 수 있다.
n=C5＋f(E)
여기에서 f(E)는 수학식 2의 적분값이고, C5는 적분 정수가 된다.
이 KK-Analysis에서는 Cl, C2, C3, C4, C5가 파라미터가 되어 초기값이 된다. C5는 적분 정수로 굴절율을 나타내는 파라미터의 하나이므로, PD층의 대강의 굴절율을 초기값으로 한다. C1은 대강의 감광계수 즉, 감광계수 스펙트럼의 피크의 감광 계수의 값이 초기값이 된다.
한편, C2, C3은 감광 계수 스펙트럼의 피크의 E(eV)와 관계가 있으며, C2는 피크의 E(eV)의 2배, C3는 피크의 E(eV)의 2승을 대강의 초기값으로 할 수 있다. C4는 흡수대의 에너지 밴드폭과 관계가 있으며, 초기값으로는 감광 계수 스펙트럼 피크의 최저부에서 감광 계수가 가장 작아지는 E(eV)의 값을 이용할 수 있다.
이상과 같이, KK-Analysis를 이용하는 경우에는 측정 대상 물질인 박막의 물성을 가미하고, 그 흡수 스펙트럼, 즉 감광 계수 스펙트럼을 상상하여 초기값을 설정함으로써 해석을 수행하는 것이 가능해진다.
KK-Analysis 모델은 다른 모델과 비교하여 파라미터의 설정이 어렵고, 피팅 계산도 곤란하며, 파라미터의 설정에 따라서는 전혀 피팅하지 않는 경우도 있다. 따라서, KK-Analysis 모델은 어느 정도 측정 해석에 익숙해져 모델의 특성을 이해한 후에 사용할 필요가 있다.
상기의 방법으로 PD층의 두께와 광 계수(굴절율(n)과 감광 계수(k))을 구한 후, 광의 흡수 계수는 다음의 식 5에 의해 산출된다.
α=4πk/λ
이 불순물 도입층(110)의 광학적 특성을 나타낸 스펙트럼을 도 3에 나타낸다.
이 도면으로부터 분명하게 알 수 있듯이, 엘립소메트리를 이용한 측정 결과로부터 생각하면, 파장 300nm에서 600nm 사이의 광에 대하여 광흡수 계수가 높아지고 있다.
그런 점에서, 후속 공정에서는 파장 300nm에서 600nm 사이의 광을 조사함으로써 효율적으로 활성화가 되어, 보다 작은 조사 에너지로 불순물이 효율적으로 활성화된다.
이와 같이 본 실시형태에서는 불순물이 도입된 고체 기체의 표면 상태를 측 정하고, 이 측정 결과에 기초하여 이어지는 공정의 주요 인자를 결정한다.
그런데, 반도체 산업이나 액정 산업에서는 불순물을 도입한 후, 형성된 불순물 도입층(110)에 전자파를 조사하여 전기적으로 활성화한다. 이것은 고체 기체의 주된 구성 요소인 실리콘의 결정이 격자의 결합 에너지보다도 충분히 높은 에너지의 불순물을 도입하는 공정에서 파괴되어, 격자 결함이 도입된 상태의 불순물 도입층(불순물이 도입된 영역)이 존재하는 상태를, 후속 공정에서 전자파를 조사함으로써, 격자 결함을 회복하여 전기적으로 활성인 상태로 변화시키는 것을 의미한다.
이 때, 불순물층의 상태는 고체 기체를 구성하는 물질과 불순물 물질의 물성의 관계에 의존하는데, 예를 들어 실리콘이라면, 실리콘의 격자 위치에 불순물 물질이 치환하는 형태로 들어가, 결정화가 촉진되어 전기적으로 활성인 상태가 된다.
그런 점에서 이러한 과정을 실현하기 위하여, 예를 들면 가시광선의 조사에 있어서 효율적으로 불순물의 전기적 활성화를 도모한다. 여기에서는, 불순물 도입층의 광흡수 스펙트럼을 분석하고, 그 결과에 기초하여 적절한 파장의 광을 조사하는 것이 바람직하다. 또한, 표면에 고체 기체(100)와 불순물 도입층(110)이 혼재하고 있는 경우에는 고체 기체 자체의 광흡수 스펙트럼을 분석하여 고체 기체(100)의 광흡수 계수가 작고 불순물 도입층(110)의 광흡수 계수가 커지는 파장 대역을 선택하고, 이 파장 대역에서 광조사를 수행하도록 하면, 고체 기체(100)의 온도 상승을 억제하면서 불순물 도입층의 활성화를 수행할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 실시형태에서는, 엘립소메트리를 이용한 광학 측정을 이용하고 있기 때문에, 이로 인해 광흡수 계수를 산출할 수 있다. 특히 사이즈가 작은 미세 디바이스를 형성할 때에는 고체 기체 중에서 발생하는 확산 현상이 미세화를 방해하는 큰 요인이 되기 때문에, 특정 파장의 광만을 조사하는 것은 고체 기체에 쓸데없는 에너지를 제공하지 않는다는 의미에서 확산을 방지할 수 있으며, 미세 디바이스 형성에 유효하다. 특히 여러 번의 불순물 도입 공정을 포함하는 경우에는 여러 번의 열처리 공정을 거쳐야만 하는 경우가 많은데, 본 발명에 따르면 특정한 파장의 광만을 조사함으로써 불필요한 확산장의 확장을 억제할 수 있다.
또한, 광학적 특성의 측정 방법으로는 엘립소메트리에 한정되는 것이 아니라 XPS 등도 적절하게 선택 가능하다.
(실시형태 2)
다음으로, 이 방법을 이용하여, 불순물의 도핑 방법으로서 플라즈마 도핑을 이용한 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 본 실시형태에서 이용되는 플라즈마 도핑 장치와 불순물 도핑 제어장치에 대하여 설명하고, 다음으로 몇 종류의 제어 방법을 상세하게 설명한다. 본 실시형태에서 이용되는 도핑 장치는 도 4에 나타내는 바와 같이 고체 기체(100)상의 불순물이 도입된 영역의 광학적 특성을 측정하는 측정 수단으로서의 광원(120) 및 측광기(130)와, 이 측정 수단에 의해 얻어진 광학적 특성에 기초하여 도핑 조건을 제어하는 제어 수단을 구비하여, 최적인 표면 상태를 얻을 수 있도록 도핑 조건을 피드백 제어하는 것이다.
즉, 이 플라즈마 도핑 장치는 진공 챔버(200)와, 이 진공 챔버(200) 내에 플 라즈마를 발생시키는 플라즈마원(240)을 구비하고, 기판 홀더(260)에 놓여진 피처리 기체로서의 고체 기체(100)의 표면에 플라즈마 도핑을 수행하는 것이다.
그리고, 이 진공 챔버(200)에는 진공 펌프(210)가 접속되고, 진공 측정을 위한 진공계(230)가 설치되어 있으며, 플라즈마원(240)에는 전원(250)이 접속되어 있다. 또한, 기판 홀더(260)에는 독자적인 전기적 포텐셜을 인가하기 위한 전원(270)이 상술한 전원과는 별도로 접속되어 있다.
또한, 진공 챔버(200)에는 이들 가스를 도입하기 위한 가스 도입 기구가 설치되어 있다. 이 가스 도입 기구는 도펀트 물질로서의 제 1 물질을 공급하는 제 1 라인(280), 그 외의 물질인 제 2 물질을 공급하는 제 2 라인(290)(이 경우에는 He), 그 외의 제 3 물질을 공급하는 제 3 라인(300)(이 경우에는 Ar)으로 구성된다.
또한, 제어 수단은 측광기에서 측정한 광학적 특성을 연산하는 계산기(320)와, 이 연산 결과에 기초하여 제어 조건을 결정하는 제어 회로(340)와, 제어 회로의 출력에 기초하여 플라즈마 도핑 장치의 도핑 조건을 피드백 제어하는 제어기(350)를 구비하고 있다.
다음으로, 이 도핑 장치를 이용한 도핑 방법에 대하여 설명한다.
여기에서는, 도핑원으로서 가스를 이용하는 경우에 대하여 설명한다.
먼저, 진공 챔버(200)에 제 1 물질로서의 도펀트 물질을 공급한다. 여기에서는 도펀트 물질과 이것과는 다른 그 외의 물질을 캐리어 가스로서 또는 특정한 기능을 보유하는 재료로서 도입한다. 본 실시형태에서는 도펀트 물질과는 다른 성질 의 가스, 예를 들면 희석 가스 등으로서(질량이 다름), 전기적으로는 실리콘 안에서 활성이 되지 않는 물질을 선택하였다. 예로서, He나 Ar이다. 이것을 그 외의 제 2 물질로서 He를, 그 외의 제 3 물질로서 Ar를 선택하였다. 그런데, 상술한 제 1 내지 제 3 라인(280, 290, 300)으로 구성되는 가스 도입 라인으로부터 가스를 도입하고, 진공 챔버(200) 내의 고체 기체(100) 표면에서 플라즈마(310)를 발생시킨다.
이 플라즈마(310)와 고체 기체(100)와의 전기적 포텐셜 차이에 의해 플라즈마 중의 하전 입자가 가까이 끌어 당겨져 불순물 도핑이 수행된다. 동시에 플라즈마 중의 전기적 중성 물질은 이 고체 기체(100) 표면 부근에 부착 혹은 흡장(吸藏) 된다. 여기에서 불순물 도입층(110)의 상태는 하지(下地)인 고체 기체(100)의 상태 및 플라즈마가 갖는 에너지에 의해 결정되며, 부착 상태일 수도, 흡장되어 있을 수도 있다.
이 불순물 도핑 공정에 의해, 상기 실시형태에서 설명한 불순물 도입층(110)이 고체 기체(100) 표면에 형성된다. 이 불순물 도입층의 물성을 측정하기 위하여 진공 챔버(200)에는 광원(120)과 측광기(130)가 설치되어 있다. 그리고, 측광기(130)에서 측정한 광학적 특성을 계산기(320)에서 연산하여 이 연산 결과를 제어 회로(340)에 보내고, 피드백 정보로서 제어기(350)에 데이터를 보냄으로써, 플라즈마 도핑 장치는 플라즈마 조건을 조정하여 불순물 도입층의 물성을 제어한다.
여기에서 조정되는 플라즈마 조건으로는 플라즈마에 인가하는 전원 전압, 혹은 전압 인가 시간 및 인가 타이밍, 도펀트 물질과 그 외 물질의 혼합비, 진공도, 그 외의 물질간의 혼합비, 도펀트 물질을 포함하는 플라즈마 조사의 시간과 도펀트 물질을 포함하지 않는 플라즈마 조사의 시간대의 비 등이며, 이들의 파라미터를 변화시켜 불순물 도입층의 물성을 제어한다.
이하, 본 발명의 실시예로서 이 파라미터를 변화시키는 예에 대해서 순차적으로 설명한다. 여기에서는 전력, 가스의 혼합 방법에 대해서 상세하게 설명한다.
<실시예>
실시예 1
먼저, 실시예 1로서 전력을 변화시키는 방법에 대하여 설명한다.
플라즈마의 밀도나 기판에 도달하는 하전 입자(주로 정(正)으로 하전한 이온)의 에너지는 플라즈마를 발생시키기 위하여 공급하는 전력과, 기판 홀더에 접속한 전원에 의해 결정된다는 것을 알고 있다. 여기에서는, 주로 기판 홀더(260)에 접속한 전원(270)의 전력을 변화시킨 예를 기술한다.
먼저, 플라즈마를 발생시키기 위한 전원(250)으로부터 1000W의 전력을 공급한다. 이것에 의해 발생한 플라즈마(310)를 효율적으로 기판에 도달시키기 위하여 기판 홀더(260)에 전력을 공급한다. 먼저, 100W를 공급하여 플라즈마 도핑을 시작하였다. 이 때, 최종적으로 필요한 불순물 도입층의 두께를 15nm로 설정한다.
여기에서는, 도펀트 물질 B2H6를 이용하고 그 외의 물질로서 He를 이용하였다. B2H6를 2 SCCM 도입, He를 10 SCCM 도입한다. 진공도는 1Pa였다. 먼저, 전원(250)으로부터 100W 공급하고 있는 상태에서 5초간 도핑을 실시하였다.
이 상태에서 도 1 및 도 4에 나타내는 바와 같이 측광기(130)로 불순물 도입 층의 광학 정수(광흡수 계수)룰 측정하였다. 그 결과, 불순물 도입층의 두께는 계산기(320)로 계산한 결과, 12nm인 것을 알 수 있었다.
그리고, 제어 회로(340)에서는 사전에 측정한 측정 결과에 기초하여 작성한 데이터베이스를 바탕으로 불순물 도입층의 두께를 15nm로 하기 위한 조건을 산출한다. 그리고, 이 산출 결과에 의거하여 제어기(350)는 전원(250)으로부터의 전력의 공급을 115W로 증대하여 3초간 플라즈마 도핑을 실시하였다.
그리고, 불순물 도입층의 두께가 소정의 15nm에 도달한 것을 측광기(130)를 통하여 확인하고, 전원(250)을 오프하여 플라즈마(310)를 끄고 프로세스를 종료하였다.
실시예 2
도 5에 K-K(Kramers-Kronig) 해석의 해석 방법을 사용하여 구한 샘플 PD-1(바이어스 전압 30V, 프로세스 시간 60초)과 PD-2(바이어스 전압 60V, 프로세스 시간 60초) 및 비교로서 결정 실리콘 기판의 흡수 계수의 스펙트럼을 나타낸다. 이 경우, 파장 범위 400-800nm 내, 같은 플라즈마 도핑 시간 60초이고, 바이어스 전원 전압을 올림으로써 PD층의 광흡수 계수가 높아졌다. 이 결과는, 예를 들어 400-800nm 내의 파장을 내는 어닐 방법을 이용하는 경우에는 PD-2가 적합하다는 것을 나타내고 있다. 즉, 이 엘립소 측정 결과는 어닐의 최적화로 피드백할 수 있어, 상기 K-K(Kramers-Kronig) 해석의 해석 방법을 사용한 엘립소메트리 측정의 유효성을 나타내고 있다.
실시예 3
다음으로 실시예 3으로서, 불순물 도입 공정에서의 가스 혼합 방법을 제어하는 예에 대하여 설명한다.
불순물 도입층(110)을 형성할 때, 예를 들어 고체 기체(100)로서 실리콘 기판을 이용하면, 도펀트 물질이나 그 외의 물질에 의해 결정 격자가 흐트려져 비결정(amorphous) 상태가 된다. 이 비결정 상태를 원하는 상태로 하는 것이, 이어서 실행하는 공정에서 중요한 역할을 한다.
이 예에서는 도펀트 물질로서 BF3을, 그 외의 물질로서 He와 Ar을 사용하였다. 여기에서는 도펀트 물질인 BF의 양을 일정하게 하고, 불순물 도입층(110)의 두께를 변화시킨다.
먼저, Ar를 도입하고 5초간 플라즈마를 발생시켜 불순물 도입층(110)의 일부를 형성한다. 측광기로 측정한 결과 불순물 도입층(110)의 두께는 5nm이었다. 이 도핑된 불순물 도입층(110)에 대하여 BF3을 도입하여 5초간 가스 흡착시킨 후, 전력을 공급하여 BF3 플라즈마를 발생시키고 3초간 도핑을 속행한다. 동시에 He를 도입하여, 비교적 저전력인 100W라도 20nm의 두께가 되도록 설정을 한다. 소정의 도펀트량이 된 후 BF3의 공급을 정지한다. 측광기로 계측을 하면서 He 플라즈마 조사를 계속하여 불순물 도입층의 광학적 두께가 5초 후에 20nm에 도달한 것을 확인한 후, 플라즈마를 정지하고 프로세스를 종료하였다.
실시예 4
다음으로 실시예 4로서 도펀트 물질을 포함하는 플라즈마 조사의 시간과 도펀트 물질을 포함하지 않는 플라즈마 조사의 시간의 비를 조정하는 예에 대하여 설명한다. 여기에서는 단순화하여 설명하기 위하여 고체 기체의 광학적인 특성, 특히 도핑 후에 계속해서 실시되는 광조사 등의 어닐 시에 큰 광흡수 계수를 갖는 불순물 도입층(110)을 형성하는예에 대하여 설명한다. 예를 들면, 도 4에 나타내는 플라즈마 도핑 장치를 사용했을 때, 필요한 도펀트량의 플라즈마 도핑에 의해 형성되는 불순물 도입층(110)의 광흡수 계수가 어닐에 대하여 불충분한 경우를 일반적으로 생각할 수 있다.
그 때, 불순물량에는 변동을 주지 않고 광흡수 계수만을 큰 값이 되도록 조정하고, 어닐의 소정의 광흡수 계수를 설정하기 위하여 그 외의 제 2 물질을 도입하기 위한 제 2 라인(290)으로부터 희석 가스, 예를 들면 Ar을 도입하여 도펀트와는 다른 플라즈마를 형성하여 고체 기체에 조사한다. 일예이지만, 고체 기체(100)에 대하여 Ar의 플라즈마를 5초간 조사하여, 불순물 도입층(110)을 형성한다. 그 때에 광흡수 계수는 계속 수행하는 어닐에 대하여 충분히 큰 값이 되도록 플라즈마 조사 시간이나 그 밖의 플라즈마 파라미터를 조절한다. 그 후, 예를 들면 B2H6를 He로 0 .5％로 희석한 가스를 도펀트 물질 전용의 제 1 라인(280)으로부터 도입하고, 플라즈마를 발생시켜 15초간 플라즈마를 조사하였다.
먼저, Ar 플라즈마에 이어서 도펀트 플라즈마에 의해 복합적으로 형성된 불순물 도입층(110)의 광학 물성은 측광기(130)를 통하여 측정하며, 일련의 제어계를 거쳐 소정의 광학적 특성, 여기에서는 광흡수 계수를 얻고 프로세스를 종료하였다. 도 6a는 Ar 조사시의 광흡수 계수의 증가의 시간적 의존을 정성(定性)적으로 나타낸 것인데, 약 5초 동안에 광흡수 계수가 5E4 cm-1보다 증가한 것을 확인하고 도펀트 프로세스로 이행하였다.
이 방법에 의해서도 효율적인 어닐을 실현하는 것이 가능해진다.
실시예 5
다음으로 실시예 5에 대하여 설명한다. 이 예는 상기 실시예 1 내지 4와 같은 피드백 제어에 의해 불순물 도입층(110)의 광학적 특성을 제어하는 것인데, 고체 기체(100)로서 액정 기판을 사용한 경우에 대하여 설명한다. 이 경우에는 유리 혹은 석영 유리 기판상에 다결정 실리콘막을 퇴적하고, 이 다결정 실리콘막에 TFT를 형성하기 위한 불순물을 도입한다. 이러한 유리 기판상에 퇴적한 다결정 실리콘막은 박막이기 때문에, 불순물을 도입할 때에 형성되는 불순물 도입층(110)의 두께가 박막의 대부분을 차지하는 경우도 있을 수 있다.
측광기(130)로 측정한 광학 정수로부터 광흡수 계수를 추출하였다. 액정의 디바이스 형성에서는 도펀트 물질 도입 후 레이저를 조사하여 전기적으로 활성화하는 방법이 취해진다. 이 때문에, 이 레이저광의 흡수가 효율적으로 수행되도록 불 순물 도입층을 조정하여 광흡수 계수를 제어한다.
이 예에서는 도 4에 나타낸 불순물 도핑 장치를 이용하여, 측광기(130)에 의해 불순물 도입층의 광학적 특성을 측정하고, 측정 결과를 피드백하면서 도핑량을 조정한다. 측광기(130)에 의한 측정 결과를 따라 도펀트 물질의 공급을 정지하고, 불순물 도입 프로세스를 종료하였다.
이 방법에 의해서도 효율적으로 활성화가 이루어지며, 유리 기판의 온도 상승도 적고, 휨이나 일그러짐, 크랙 등의 발생을 억제할 수 있어 제품 수율이 향상하였다.
이 방법은 고체 기체로서 다른 물질, 예를 들면 실리콘 기판을 사용했을 때에도 마찬가지로 보다 잘 제어할 수 있다.
실시예 6
다음으로 본 발명의 실시예 6에 대하여 설명한다.
이 예에서는 상기 실시예 1에 나타낸 바와 같이, 불순물이 도입된 불순물 도입층(110)의 광학적 특성을 측정하고 그 결과에 따라 어닐 조건을 조정하여, 기판 온도를 상승시키는 일 없이 불순물 도입층의 활성화를 도모한다.
여기에서는, 이미 설명한 방법에 의해 작성한 불순물 도입층(110)이 형성된 고체 기체(100)에 특정 파장을 포함하는 전자파를 조사하여 어닐하는 것으로서, 불순물 도입층의 전기적 활성화에 특히 유효하게 기여하는 전자파의 에너지를 사용하여 다른 영역(고체 기체)으로의 에너지 공급을 억제하고, 고체 기체(100)의 온도 상승을 억제한다.
실시형태 1과 마찬가지로, 고체 기체(100) 표면에 형성된 불순물 도입층(110)에 광원(120)으로부터 광을 조사하고, 측광기(130)로 광을 측정한다. 이 불순물 도입층(110)의 광학적 특성을 나타낸 스펙트럼을 도 6b에 나타낸다. 도 6b는 엘립소메트리를 이용하여 측정한 것인데, 이 측정 결과에 기초하여, 계속되는 공정인 어닐 공정의 주요 인자를 결정한다.
단결정 실리콘 기판에 실시형태 2에 나타낸 방법에 따라 플라즈마 도핑을 이용하여 붕소를 도핑하였다.
이 때 형성된 불순물 도입층(110)을 포함하는 고체 기체(100)의 광학적 측정을 동일하게 수행한 결과, 도 6b에 나타내는 바와 같이 600nm 부근에 피크를 갖는 스펙트럼이 관측되었다. 이 경우에는 600nm 부근에서 발광하는 레이저광을 이용하거나, 백색광 광원이라도, 예를 들어 피크는 어느 정도 넓기 때문에, 580nm부터 620nm 부근의 파장 이외를 컷트하는 필터를 이용하여 어닐에 유효한 파장의 광만을 불순물 도입층을 갖는 기판에 조사하는 것이 유효하다.
그런 점에서 이 예에서는 필터를 이용하여 파장 제어를 수행하는 예에 대하여 설명한다. 이 어닐 장치는 도 7에 나타내는 바와 같이, 기판 홀더(500)와, 백색 광원(510)과 백색 광원으로부터의 특정 파장의 광(530)만을 투과시키도록 탈착 가능하게 설치된 필터(520)를 구비하여 이루어진다.
이 예에서는 불순물 도입층(110)이 형성된 고체 기체(100)를 기판 홀더(500)에 설치하고, 백색 광원 혹은 필터를 통하여 조정된 파장의 광이 해당 고체 기체의 표면에 형성된 불순물 도입층에 조사되어 적절한 어닐이 이루어진다.
즉, 도 6에 나타낸 파장 스펙트럼에 피크를 형성하는 특정한 파장을 포함하는 광원이 설치되며, 동시에 해당 기판을 어닐하는데 적합한 파장(예를 들면 파장 스펙트럼의 피크를 포함하는 특성)만을 투과하는 특성의 필터(520)를 설치한다. 이 장치에 있어서, 100W 강도의 광원으로부터, 이 경우에는 백색 광원(510)을 조사하고, 필터(520)에 의해 580nm부터 620nm 사이에 선별된 광이 조사된다. 이와 같이 필터링된 광(530)의 에너지는 해당 기판의 불순물 도입층(110)에서 유효하게 흡수되고 감쇠하여, 고체 기체(100)에 흡수되는 에너지량은 상당히 적다.
이렇게 하여, 고체 기체 전체의 온도는 거의 상승하지 않고 불순물 도입층(110)에만 에너지가 흡수되어, 특정한 영역에 한정된 불순물 어닐층을 형성할 수 있다. 이 방법은, 미세화된 범위 영역에 배치되는 MOS 트랜지스터 등의 형성에 상당히 유효하다.
또한, 이 기판 홀더(500)에는 냉각 기구(도시하지 않음)를 설치할 수 있어, 기판을 더욱 냉각하는 것도 가능하다. 그러나, 본 발명에 따르면 불순물 도입층(110)에 유효하게 에너지가 흡수되기 때문에 별로 필요하지 않다.
또한, 도 4에 나타낸 도핑 장치에서 사용한 것과 동일한 기구로 광원(120)과 측광기(130)를 도 7에 나타낸 어닐 장치에도 설치하여 불순물 도입층(110)의 광학적 특성을 측정함으로써, 광조사시의 물성의 변화를 측정할 수 있다. 이렇게 하여 광조사에 의한 상태 변화를 계측할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는 백색 광원과 필터에 의해 원하는 파장의 광을 조사 하도록 하였지만, 이 예에서는 백색 광원(510) 대신 적절한 파장을 가진(이 경우에는 예를 들면 600nm) 레이저 광원(550)을 이용할 수도 있다.
또한, 반대로 공업적으로 저렴하게 입수 가능한 레이저 광원의 파장에 맞추어, 원하는 광학적 특성을 갖도록 불순물 도입층을 설계하는 것도 가능하게 된다.
실시예 7
다음으로 본 발명의 실시예 7로서, 플라즈마 도핑에 있어 혼합 물질로서 질소, 산소를 혼입시키는 방법에 대하여 설명한다. 먼저, 도 4에 나타낸 도핑 장치를 이용하여, 예를 들면 고체 기체에 대하여, 실시예 2에서 설명한 방법에 따른 불순물 도핑에 의해 불순물 도입층(110)을 10nm 형성한다.
이 후, 그 외의 물질인 제 2 물질을 도입하는 제 2 라인(290)으로부터 질소 혹은 질소를 포함하는 가스를 도입하고 플라즈마를 발생시켜 불순물 도입층(110)의 상부를 약 3nm 질화한다.
이렇게 하여, 질화의 상황을 불순물 도입층(110)과 질화된 층(600)(도 8 참조)을 포함하는 광학 정수의 측정에 의해, 즉 도 4의 장치에 설치한 광원(120)과 측광기(130) 및 계산기(320), 제어 회로(340), 제어기(350)를 이용하여, 계속해서 실시하는 광조사 등의 어닐시에 적합한 광학적 특성으로 제어할 수 있다.
여기에서 말하는 광학적 특성의 적합이라 함은 기본적으로는 실시예 1에서 설명한 것과 같지만, 어닐에 있어서 불순물 도입층(110)을 질화된 층(610)으로 피복해 둠으로써, 어닐 공정에서 사용하는 광의 흡수성을 높일 수 있다. 또한, 이로 인해, 추가적으로 어닐시에 공기 중의 산소나 수분이 관여하여 발생하는 산화를 방지할 수 있고, 불순물 도입층(110)과 질화된 층(600)의 종합적인 광학적 특성이 안정된다고 하는 효과도 얻을 수 있다.
또한, 제 3 라인(300)으로부터 그 외의 제 3 물질로서 산소 혹은 산소를 포함하는 가스를 도입하여, 도 8c에 나타낸 바와 같이 불순물 도입층(110)의 표면을 산화하는 것이 가능하다. 이 때에도 도 4의 장치에 설치한 광원(120)과 측광기(130) 및 계산기(320), 제어 회로(340), 제어기(350)를 이용하여, 불순물 도입층(110)과 산화된 층(610)의 광학적 특성을, 계속해서 수행하는 광조사 등의 어닐시에 이용하는 광의 파장에 적합한 광학적 특성이 되도록 제어하는 것이 가능하다. 어닐시에 산화를 방지하는 것은 곤란하지만, 어닐시의 분위기를 진공이나 불활성 가스를 이용하는 등의 조치에 의해 이러한 표면 산화층의 도입도 적용 가능하다.
여기에서는 불순물 도입층(110)을 직접 질화 산화하는 예를 설명했지만, 그 외의 제 2 물질을 공급하는 제 2 라인(290) 및 그 외의 제 3 물질을 공급하는 제 3 라인(300)으로부터, 예를 들면 SiH4와 산소를 각각 도입하는 등의 방법에 의해 실리콘 산화막이나 그 밖의 막을 소위 CVD 기술로 퇴적할 수도 있다. 이렇게 하면, 불순물 도입층의 물성과는 전혀 관계가 없는 박막도 퇴적할 수 있어 다양한 광학적 특성을 얻을 수 있다. 그 퇴적시에도 상술한 제어 시스템을 동작시켜 제어하는 것이 요긴하다.
실시예 8
다음으로 어닐 공정 중의, 불순물 도입 영역의 광학적 특성의 변화에 따라 어닐 조건을 순차적으로 변화시키는 방법에 대하여 설명한다.
여기에서는 도 9에 나타내는 바와 같이 광원으로서 레이저 광원(700)을 사용하고, 이 광로에 파장을 변화시킬 수 있는 변조 필터(710)를 이용하여, 측광기(130)로 측정된 불순물 도입층(110)의 상태에 따라 변조된 광(720)을 고체 기체(100) 표면의 불순물 도입층(110)에 조사한다.
특히 고체 기체(100)에 접하여 고체 기체와는 서로 다른 상태의 불순물 도입층(110)을 형성하고, 이 불순물 도입층의 보호나 광학적 특성의 제어를 위하여 얇은 질화막이나 산화막등을 형성한 후 광 등의 전자파를 조사하여 어닐할 때에는 상기 실시예에서 설명한 바와 같이 충분한 주의를 기울임으로써, 먼저 중심적인 파장을 갖는 레이저 특유의 파장에 맞추어 어닐에 최적인 불순물 도입층을 형성할 수 있음은 말할 것도 없지만, 또한 어닐 공정에 있어서 최선의 결과를 얻기 위해서는 광조사에 따라 변화하는 불순물 도입층의 상태에 따라 어닐 조건을 변화시키는 것이 바람직하다.
도 10은 광조사 시간에 따라 광흡수 계수가 변화하는 상태를 나타낸다. 즉, 광조사 전에 곡선(a)으로 나타내어진 광흡수 특성이 광조사 10n초 후에는 곡선 b로, 100n초 후에는 곡선 c로 변화되는 모습을 나타내고 있다.
이것은 어닐 시간 중에 광흡수의 중심이 점차로 이동해 가는 것을 나타내고 있다. 백색광을 이용하여 수행하는 어닐의 특징은 모든 파장의 광이 포함되어 있기 때문에 이 광흡수의 변화에 자연스럽게 대응할 수 있지만, 그 때문에 필요하지 않은 파장의 광을 모두 조사하지 않으면 안되게 된다. 이 때문에, 실시예 5에서 설명한 바와 같이 기판 전체의, 혹은 고체 기체 표면 근방의 온도가 상승하는 등의 폐해가 생기게 된다.
그런 점에서, 먼저 중심이 되는 파장, 이 경우에는 600nm 부근의 레이저를 사용한다. 이 어닐 장치는 도 9에 나타내는 바와 같이 중심이 되는 파장의 레이저 광원(700)을 설치하고, 그 광로에 설치된 변조 필터(710)로 파장을 시간적으로 변화시키는 것이다.
즉 레이저광(700)을 조사하여 어닐을 수행하면서 측정용 광원(120)으로부터 입사하는 광을 측광기로 측정하여, 도 10에 나타내는 바와 같이 광흡수 계수가 변화되는 모습을 포착하여, 변조 필터(710)를 작동시켜 조사하는(변조된) 광(720)의 주파수를 변화시킨다. 이 결과, 어닐 시간대 동안 항상 광흡수가 최적인 파장의 광이 고체 기체(100)의 표면에 접한 불순물 도입층(110)에 조사되어 어닐 효율을 최대로 할 수 있다. 이것은 조사된 에너지가 불순물 도입층 이외의 부분에 거의 흡수되지 않음을 나타내는 것으로서, 본 발명의 주된 응용 분야인 반도체 산업에 있어서 「얇은 접합」을 형성하기 위한, 가장 에너지 효율이 높은 동시에 완성된 접합의 깊이를 극히 얇게 할 수 있는 이상적인 방법이라고 할 수 있다.
실시예 9
다음으로 본 발명의 실시예 9에 대하여 설명한다.
상기 실시예 8은 형성한 불순물 도입층의 광학적 특성에 더하여, 어닐 중의 광학적 특성의 변화에 따라서도 광의 파장을 변조하는 방법에 대하여 설명하였으나, 이 실시예에서는 공업적으로 용이하게 입수할 수 있는 레이저의 파장에 맞추어 도핑층인 불순물 도입층을 형성한다. 구체적으로는 이미 실시예 7에서 설명한 것도 이 사고 방식에 속하는 것이다.
즉, 이미 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이, 불순물 도입층의 형성에 따라 광흡수 계수가 높은 파장의 범위를 설정하여 불순물 도입층을 형성할 수 있다. 이 방법은 플라즈마 도핑 방법을 이용할 경우에는 실시예 3에서 설명한 것 같이 몇 개의 파라미터를 변화시켜 플라즈마의 조건을 변화시킴으로써, 사용하는 레이저의 파장 부근에 광흡수 계수가 큰 불순물 도입층을 형성한다.
이 방법에서는 플라즈마 도핑 중 플라즈마를 발생시키고 있는 도중(소위 In Situ의 상태)에 항상 고체 기체(100)(도 4 참조)의 표면을 관측하고, 플라즈마의 파라미터를 실시예 4와 같이 변화시켜 최종적으로 소정의 광학적 특성(여기에서는 광흡수 계수)을 얻을 수 있다.
또한, 일정 시간, 예를 들면 5초간 고체 기체(100)의 표면에 도핑을 수행한 후 일단 플라즈마 조사를 멈추고, 광원(120)으로부터의 광을 측정하여 광학적 특성을 구하고, 그 결과를 피드백하여, 실시예 3에서 설명한 플라즈마의 파라미터를 변화시키고, 다시 예를 들면 다음 5초간 플라즈마로 도핑을 수행하여 불순물 도입층(110)을 형성한다. 이를 되풀이하여, 선정한 레이저광의 파장에 적합하도록 불순물 도입층의 광학적 특성을 설정할 수 있다.
또한, 상기 실시형태에서는 불순물 도입 공정과 어닐 공정은 서로 다른 장치로 수행하였지만, 동일한 장치로 수행할 수도 있다.
또한, 어닐 공정에 있어서, 불순물 도입층의 광학적 특성의 조정을 상압 플라즈마에 의한 박막 형성에 의해 실현하는 것도 가능하다. 즉, 불순물 도입층의 광학적 특성을 측정하여, 어닐의 진행에 따른 불순물 도입층 자체의 광학적 특성 변화를 보상하도록 불순물 도입층의 물성변화에 따라 표면에 박막 형성을 수행함으로써, 어닐 조건에 적합하도록 불순물 도입층으로의 광흡수성을 높일 수 있다.
본 발명을 상세히 특정 실시형태를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하지 않고 다양한 변경이나 수정을 가할 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.
본 출원은 2003년 9월 24일 출원한 일본특허출원 제2003-331330, 2004년 3월 9일 출원한 일본특허출원 제2004-065317에 기초한 것으로, 그 내용은 여기에 참조로서 포함된다.
본 발명의 불순물 도입 방법 및 장치는 얇은 접합의 형성, 초박막의 형성 등 미세한 반도체 영역의 형성을 효율적으로, 동시에 기판 온도를 상승시키지 않고 형성할 수 있어, 콘덴서, 배리스터, 다이오드, 트랜지스터, 코일 등의 전자 소자의 형성, 혹은 액정 기판 등의 대형 기판에 선택적으로 불순물을 도입하는 등의 경우에도 기판 온도를 상승시키는 일 없이 유효하다.

Claims (31)

  1. 고체 기체(基體) 표면에 불순물을 도입하는 공정;
    상기 불순물이 도입된 영역의 광학적 특성을 측정하는 공정;
    상기 측정 결과를 바탕으로 상기 불순물이 도입된 영역의 광학적 특성에 맞추어 어닐 조건을 선정하는 공정; 및
    선정된 상기 어닐 조건에 기초하여 상기 불순물이 도입된 영역을 어닐하는 공정을 포함하는 불순물 도입 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 불순물을 도입하는 공정이 플라즈마 도핑 공정을 포함하는 불순물 도입 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 불순물을 도입하는 공정이 이온 주입 공정을 포함하는 불순물 도입 방법.
  4. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정하는 공정은 상기 어닐 공정에 앞서 실행되는 불순물 도입 방법.
  5. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정하는 공정은 상기 어닐 공정과 병행하여 실행되는 불순물 도입 방법.
  6. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 어닐 공정은 여러 번으로 분할되며, 상기 측정하는 공정은 상기 어닐 공정 사이에 실행되는 불순물 도입 방법.
  7. 제 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 어닐 조건을 선정하는 공정은 상기 어닐 공정 중의 불순물 도입 영역의 광학적 특성의 변화에 따라 상기 어닐 조건을 순차 변화시키는 공정을 포함하는 불순물 도입 방법.
  8. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불순물 도입 공정은 여러 번으로 분할되며, 상기 측정하는 공정은 상기 불순물 도입 공정 사이에 실행되는 불순물 도입 방법.
  9. 고체 기체 표면에 불순물을 도입하는 공정;
    상기 불순물이 도입된 영역의 광학적 특성을 측정하는 공정;
    상기 측정 결과를 바탕으로 어닐 조건에 맞추어 광학적 특성을 조정하는 공정; 및
    상기 불순물이 도입된 영역을 어닐하는 공정을 포함하는 불순물 도입 방법.
  10. 제 1항 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불순물이 도입된 영역의 광학 정수를 모니터하면서, 상기 광학 정수가 플라즈마 도핑 공정 후에 실시하는 광 조사에 적합하도록 플라즈마 도핑 조건을 제어하는 불순물 도입 방법.
  11. 제 1항 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불순물이 도입된 영역의 광학 정수를 모니터하면서, 상기 광학 정수가 이온 주입 후에 실시하는 광조사에 적합하도록 이온 주입 공정을 제어하는 불순물 도입 방법.
  12. 제 1항 내지 11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정하는 공정이 엘립소메트리를 이용한 공정인 불순물 도입 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 엘립소메트리를 이용한 공정이 불순물 도입층의 두께와 광 정수(굴절율(n)과 감광 계수(k)) 모두를 구하는 엘립소메트리 해석 공정을 포함하는 불순물 도입 방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 엘립소메트리 해석 공정은 K-K(Kramers-Kronig) 해석, Tauc-Lorentz 해석, Cody-Lorentz 해석, Forouhi-Bloomer 해석, MDF 해석, 밴드 해석, 4배위(Tetrahedral) 해석, Drude 해석, Lorentz 해석 중 어느 하나를 이용한 굴절율 파장 분산 모델을 이용한 해석 공정을 포함하는 불순물 도입 방법.
  15. 제 1항 내지 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 어닐 공정은 전자파를 조사하는 공정인 불순물 도입 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 어닐 공정은 광조사 공정인 불순물 도입 방법.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 불순물을 도입하는 공정은 상기 불순물이 도입된 영역의 광흡수 계수가 5E4㎝-1을 초과하도록 불순물을 도입하는 공정인 불순물 도입 방법.
  18. 제 2항 내지 17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라즈마 도핑 공정은 플라즈마에 인가하는 전원 전압, 플라즈마의 조성, 불순물 물질을 포함하는 플라즈마 조사 시간과 불순물 물질을 포함하지 않는 플라즈마 조사 시간의 비 중 적어도 하나를 제어하는 공정을 포함하는 불순물 도입 방법.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 플라즈마 도핑 공정은 플라즈마를 형성하는 불순물 물질과, 이들에 대한 혼합 물질로서의 불활성 물질 혹은 반응성 물질의 혼합비를 변화시킴으로써 상기 플라즈마의 조성을 제어하여, 불순물이 도입된 영역의 광학적 특성을 제어하는 공정을 포함하는 불순물 도입 방법.
  20. 제 2항 내지 17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라즈마 도핑 공정은 상기 어닐 공정에 있어서 상기 불순물이 도입된 영역에 포함되는 불순물의 전기적 활성 화를 촉진함과 동시에, 상기 고체 기체로의 에너지 흡수를 억제할 수 있도록 상기 불순물이 도입된 영역의 광학 정수를 설정하는 불순물 도입 방법.
  21. 고체 기체 표면에 불순물을 도입하는 불순물 도입 수단;
    상기 불순물이 도입된 영역의 광학적 특성을 측정하는 측정 수단; 및
    상기 불순물이 도입된 영역을 어닐하는 어닐 수단을 구비한 불순물 도입 장치.
  22. 제 21항에 있어서, 상기 불순물 도입 수단은 고체 기체 표면에 불순물을 도입하는 플라즈마 도핑 수단인 불순물 도입 장치.
  23. 제 21항에 있어서, 상기 불순물 도입 수단은 고체 기체 표면에 불순물을 도입하는 이온 주입 수단인 불순물 도입 장치.
  24. 제 22항에 있어서, 상기 측정 수단의 측정 결과에 기초하여 상기 플라즈마 도핑 수단을 제어하는 도핑 제어 수단을 포함하는 불순물 도입 장치.
  25. 제 23항에 있어서, 상기 측정 수단의 측정 결과에 기초하여 상기 이온 주입 수단을 제어하는 도핑 제어 수단을 포함하는 불순물 도입 장치.
  26. 제 20항 내지 25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정 수단의 측정 결과에 기초하여 상기 어닐 수단을 조정하는 어닐 제어 수단을 포함하는 불순물 도입 장치.
  27. 제 21항 내지 26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정 수단의 측정 결과를 상기 어닐 제어 수단 또는 불순물 도입 제어 수단 중 어느 하나에 피드백하는 피드백 기구를 포함하는 불순물 도입 장치.
  28. 제 27항에 있어서, 상기 피드백 기구는 측정 결과의 피드백을 그 자리(In-Situ)에서 수행하는 불순물 도입 장치.
  29. 제 28항에 있어서, 상기 피드백 기구는 고속으로 표본 검사를 실시하고, 불량인 경우에는 추가 도프, 혹은 어닐 조건 완화 등의 추가 프로세스를 실행하는 불순물 도입 장치.
  30. 제 1항 내지 20항 중 어느 한 항에 기재된 불순물 도입 방법을 이용하여 불순물 도입하여 형성된 전자 소자.
  31. 제 21항 내지 29항 중 어느 한 항에 기재된 불순물 도입 장치를 이용하여 불순물 도입하여 형성된 전자 소자.
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