KR102165217B1 - 클러스터 이온 빔 생성 방법 및 그것을 이용한 클러스터 이온 빔 조사 방법 - Google Patents

클러스터 이온 빔 생성 방법 및 그것을 이용한 클러스터 이온 빔 조사 방법 Download PDF

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Abstract

클러스터 이온 빔의 빔 전류치를 종래보다 증대시킬 수 있는 클러스터 이온 빔 생성 방법을 제공한다.
본 발명의 클러스터 이온 빔 생성 방법은, 탄화수소계 화합물 원료로부터, 구성 원소에 탄소 및 수소를 가지는 클러스터 이온 빔을 생성하는 클러스터 이온 빔 생성 방법이며, 상기 탄화수소계 화합물 원료는, 측쇄(側鎖)를 구비하는 분기쇄(分岐鎖) 포화 탄화수소를 포함하며, 상기 분기쇄 포화 탄화수소는 제3급 탄소 원자에 의해서만 분기되는 것을 특징으로 한다.

Description

클러스터 이온 빔 생성 방법 및 그것을 이용한 클러스터 이온 빔 조사 방법
[0001] 본 발명은, 클러스터 이온 빔 생성 방법 및 그것을 이용한 클러스터 이온 빔 조사(照射) 방법에 관한 것이다.
[0002] 클러스터 이온 빔은, 복수(통상 2∼2000개 정도, 수 백∼수 천개가 되는 경우도 있음)의 원자 또는 분자가 서로 결합하여 이온화된 덩어리 형상(塊狀)의 집단을, 고체 표면에 충돌시키는 표면 가공 기술에 이용된다. 최근, 반도체 디바이스, 자성(磁性)·유전체 디바이스, 광학 디바이스 등, 다양한 디바이스에 대한 나노 가공 프로세스에 있어서, 클러스터 이온 빔 기술을 응용하는 것이 주목받고 있다.
[0003] 클러스터 이온 빔의 생성 방법의 기본 원리를, 도 1을 이용하여 모식적으로 설명한다. 우선, 원료(1)를 공급하고, 전자충격법에 의해, 원료(1)에 전자를 충돌시켜서 원료(1)의 결합을 해리시켜, 이온화된 클러스터 이온(2)을 생성한다. 클러스터 이온(2)을 생성할 때, 단원자 이온(4) 및 다원자 이온(6)이 동시에 형성되는 것이 통상적이다. 또한, 불안정한 다원자 이온(6)이 더욱 해리하는 경우도 있다. 다음으로, 원하는 클러스터 사이즈의 클러스터 이온(2)을 선별하기 위해, 생성한 이온의 질량 분리를 행한다. 그리고, 해당 질량 분리에 의해 선별된 클러스터 이온(2)을, 소정의 가속 전압에 의해 추출하여, 클러스터 이온 빔의 형태로 한다. 이와 같이 하여 얻어진 클러스터 이온 빔을, 타깃(T)의 표면에 충돌시킴으로써, 타깃(T)을 표면 가공할 수 있다. 참고로, 상온상압(常溫常壓)의 환경하에서는, 원료(1)는 기체, 액체 및 고체 중 어느 것이어도 좋다. 장치 내에 있어서 원료(1)에 전자를 충돌시키기 직전에는, 원료(1)가 가스화되어 있다.
[0004] 또한, 본 명세서에 있어서, 「클러스터 이온」이란, 상술한 이온화된 덩어리 형상의 집단을 의미하며, 「클러스터 이온 빔」이란, 해당 클러스터 이온을 진공 중에서 가속 및 집속(集束)하여 얻어지는, 다발 형상(束狀)으로 병진(竝進)하는 빔을 의미하는 것으로 한다. 또한, 「클러스터 사이즈」란, 1개의 클러스터를 구성하는 원자 또는 분자의 개수를 의미한다.
[0005] 여기서, 본원 출원인은, 특허 문헌 1에 있어서, 반도체 웨이퍼에 클러스터 이온을 조사하여, 해당 반도체 웨이퍼의 표면에, 상기 클러스터 이온의 구성 원소가 고용(固溶)된 개질층을 형성하는 클러스터 이온 빔 조사 공정과, 상기 반도체 웨이퍼의 개질층 상에 에피택셜층을 형성하는 공정을 가지는 반도체 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법을 제안한 바 있다.
[0006] 특허 문헌 1에 기재된 기술에서는, 반도체 웨이퍼의 표면에 클러스터 이온을 조사하기 때문에, 모노머 이온 주입 기술에 의해 형성되는 이온 주입 영역에 비해, 클러스터 이온의 구성 원소가 국소적이며 고농도로 석출된 영역을 형성할 수 있다. 이 때문에, 특허 문헌 1에 기재된 기술에 의해, 종래에 비해 매우 우수한 게터링 능력을 가지는 반도체 에피택셜 웨이퍼를 얻을 수 있고, 중금속 오염을 억제할 수 있다.
[0007] 또한, 본원 출원인은, 특허 문헌 2에 있어서, 높은 게터링 능력을 가지며, 또한, 에피택셜 결함의 발생을 억제한 반도체 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법을 제공하기 위해, 다음의 반도체 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법도 제안한 바 있다. 즉, 특허 문헌 2에 개시되어 있는 반도체 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법에서는, 반도체 웨이퍼의 표면에 클러스터 이온을 조사하여, 해당 반도체 웨이퍼의 표면부에, 상기 클러스터 이온의 구성 원소가 고용된 개질층을 형성하는 클러스터 이온 빔 조사 공정과, 상기 반도체 웨이퍼의 개질층 상에 에피택셜층을 형성하는 공정을 가지며, 상기 클러스터 이온 빔 조사 공정은, 상기 개질층에 있어서의 두께 방향의 일부가 아몰퍼스(amorphous)층이 되고, 또한, 해당 아몰퍼스층의 상기 반도체 웨이퍼 표면측의 표면의 평균 깊이가 상기 반도체 웨이퍼 표면으로부터 20nm 이상이 되도록 행한다.
[0008] 1. 국제 공개 제2012/157162호 2. 일본 특허공개 제2015-130402호 공보
[0009] 여기서, 특허 문헌 1 및 2에 개시된 클러스터 이온 빔 조사 공정을 행하는 데 있어서는, 조사하는 클러스터 이온의 도스량이나 빔 전류치, 반도체 웨이퍼의 웨이퍼 직경에도 의존하지만, 반도체 웨이퍼 1장에 대해 클러스터 이온 빔 조사를 행하는 데 많은 시간을 필요로 하고 있었다. 이 때문에, 클러스터 이온 빔 조사 공정으로서 포함하는 반도체 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법을 이용하여 반도체 에피택셜 웨이퍼를 대량생산하기 위해서는, 처리량(throughput)의 개선이 요망된다.
[0010] 클러스터 이온 빔 조사 공정에 있어서, 도스량이 동일하다면, 클러스터 이온 빔의 빔 전류치가 클수록, 조사 시간을 짧게 할 수 있다. 예컨대, 특허 문헌 2에서는, 그 실시예에 있어서, 시클로헥산으로부터 C3H5 클러스터를 생성하고 있으며, 그 빔 전류치는 400μA인 것이 개시되어 있다. 반도체 에피택셜 웨이퍼 제조의 처리량을 개선하기 위해, 본 발명자는 빔 전류치를 증대시키는 것을 새로운 과제로서 인식하였다.
[0011] 따라서 본 발명은, 상기 과제를 감안하여, 클러스터 이온 빔의 빔 전류치를 종래보다 증대시킬 수 있는 클러스터 이온 빔 생성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 나아가, 본 발명은, 상기 클러스터 이온 빔 생성 방법을 이용한 클러스터 이온 빔 조사 방법 및 반도체 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
[0012] 본 발명자는, 상기 과제를 해결하기 위해 열심히 검토하였다. 본 발명자가 열심히 검토한 바, 이온원(源)에 있어서의 원료의 분해 조건을 변경함으로써, 빔 전류치를 어느 정도 증대시킬 수 있음은 확인되었지만, 그 증대에는 한계가 있었다. 따라서 본 발명자는, 이온원에 있어서의 원료에 주목하였고, 특히, 탄화수소계 화합물 원료의 분자 구조에 주목하였다. 구성 원소에 탄소 및 수소를 포함하는 클러스터 이온의 빔을 생성하는 경우, 탄화수소계 화합물 원료로서 소정 구조의 분기쇄(分岐鎖) 포화 탄화수소를 이용함으로써, 종래에 비해 클러스터 이온 빔의 전류치를 큰 폭으로 개선할 수 있음을 본 발명자는 알아내고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 즉, 본 발명의 요지 구성은 이하에 기재한 바와 같다.
[0013] (1) 탄화수소계 화합물 원료로부터, 구성 원소에 탄소 및 수소를 가지는 클러스터 이온의 빔을 생성하는 클러스터 이온 빔 생성 방법으로서, 상기 탄화수소계 화합물 원료는, 측쇄를 구비하는 분기쇄 포화 탄화수소를 포함하며, 상기 분기쇄 포화 탄화수소는 제3급 탄소 원자에 의해서만 분기되는 것을 특징으로 하는 클러스터 이온 빔 생성 방법.
[0014] (2) 상기 분기쇄 포화 탄화수소는 상기 제3급 탄소 원자를 1개만 가지는, 상기 (1)에 기재된 클러스터 이온 빔 생성 방법.
[0015] (3) 상기 분기쇄 포화 탄화수소는 상기 제3급 탄소 원자를 2 또는 3 이상 가지며, 상기 2 또는 3 이상의 상기 제3급 탄소 원자는, 모두 1 또는 2 이상의 제2급 탄소 원자를 통해 결합하는, 상기 (1)에 기재된 클러스터 이온 빔 생성 방법.
[0016] (4) 상기 분기쇄 포화 탄화수소는 상기 제3급 탄소 원자를 2개 가지는, 상기 (3)에 기재된 클러스터 이온 빔 생성 방법.
[0017] (5) 상기 2개의 상기 제3급 탄소 원자가, 1개의 제2급 탄소 원자를 통해 결합하는, 상기 (4)에 기재된 클러스터 이온 빔 생성 방법.
[0018] (6) 상기 (1)∼(5) 중 어느 하나에 기재된 클러스터 이온 빔 생성 방법을 이용하여 생성한 클러스터 이온 빔을, 반도체 웨이퍼의 표면에 조사하는 것을 특징으로 하는 클러스터 이온 빔 조사 방법.
[0019] 본 발명에 의하면, 클러스터 이온 빔의 빔 전류치를 종래보다 증대시킬 수 있는 클러스터 이온 빔 생성 방법을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명은, 빔 전류치를 종래보다 증대시킬 수 있는 클러스터 이온 빔 조사 방법을 제공할 수 있다.
[0020] 도 1은, 클러스터 이온 빔 생성의 기본 원리를 설명하기 위한 모식 도이다.
도 2의 (a), (b), (c)는, 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 클러스터 이온 빔 조사 방법을 이용한 반도체 에피택셜 웨이퍼(100)의 제조 방법을 설명하는 모식 단면도이다.
[0021] (클러스터 이온 빔 생성 방법)
본 발명의 하나의 실시형태에 따른 클러스터 이온 빔 생성 방법은, 탄화수소계 화합물 원료로부터, 구성 원소에 탄소 및 수소를 가지는 클러스터 이온의 빔을 생성하는 클러스터 이온 빔 생성 방법이다. 여기서, 탄화수소계 화합물 원료는, 측쇄를 구비하는 분기쇄 포화 탄화수소를 포함하며, 이 분기쇄 포화 탄화수소는 제3급 탄소 원자에 의해서만 분기된다. 참고로, 탄화수소계 화합물 원료 중에 불가피한 불순물은 포함될 수 있다.
[0022] 클러스터 이온 빔 생성 방법의 기본 원리는, 도 1을 이용하여 이미 설명한 바대로이다. 즉, 우선, 원료(1)를 공급하고, 전자충격법에 의해, 원료(1)에 전자를 충돌시켜서 원료(1)의 결합을 해리시켜, 이온화된 클러스터 이온(2)을 생성한다. 이어서, 생성된 이온의 질량 분리를 행하여 클러스터 이온(2)을 선별하고, 해당 클러스터 이온(2)을 소정의 가속 전압에 의해 추출하여, 클러스터 이온 빔의 형태로 한다. 이와 같이 하여, 클러스터 이온 빔을 생성할 수 있다. 이와 같이 하여 얻어진 클러스터 이온 빔을, 임의의 타깃(T)의 표면에 대해 조사할 수 있다. 이러한 원리를 이용한 클러스터 이온 주입 장치로서, 예컨대, 일신 이온 기기 주식회사(NISSIN ION EQUIPMENT CO. LTD.)에서 제조한 CLARIS(등록상표)를 이용할 수 있다.
[0023] 본 실시형태에서는, 원료(1)로서 상술한 탄화수소계 화합물 원료 가스를 이용한다. 얻어지는 클러스터 이온 빔을 구성하는 클러스터 이온(2)의 구성 원소는 탄소 및 수소를 가지며, 특히, 클러스터 이온(2)의 구성 원소를 탄소 및 수소만으로 구성할 수 있다.
[0024] 본 실시형태에서 이용하는 탄화수소계 화합물 원료에 대해, 이하에서는, 보다 상세하게 설명한다. 탄화수소계 화합물 원료는, 측쇄를 구비하는 분기쇄 포화 탄화수소이며, 상기 분기쇄 포화 탄화수소는 제3급 탄소 원자에 의해서만 분기되는 것이 중요하다. 이와 같은 분기쇄 포화 탄화수소는, 하기 식 (I)에 의해 나타낼 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112018088609240-pct00001
여기서, 상기 식 (I)에 있어서, 제3급 탄소 원자에 결합하는 R1, R2 및 R3는, 모두, 탄소수(數)를 1 또는 2 이상으로 하는 독립된 직쇄상(直鎖狀) 또는 분기 알킬기이다. R1, R2 및 R3는 모두 동일한 알킬기여도 되고, 어느 2개가 동일한 알킬기여도 되며, 모두 상이해도 된다. 또한, 여기서 말하는 「직쇄상」이란, 탄소수가 1 이상 3 이하인, 분기가 생길 수 없는 탄화수소인 경우도 포함하는 것이며, 이하에서는, 동일한 의미로 「직쇄상」이라고 한다.
[0025] 또한, 본 실시형태에서 이용하는 분기쇄 포화 탄화수소는, 상온상압의 환경하에서 기체, 액체 및 고체 중 어느 것이어도 되며, 진공하(예컨대, 10-2Pa 이하)의 챔버 내에서 원료를 전자와 충돌시키기 직전에 있어서, 분기쇄 포화 탄화수소가 가스화되어 있으면 된다. 즉, 원료를 챔버 내에 도입하여 전자와 충돌시킬 때, 액체 원료를 기화시켜 챔버 내에 공급해도 되고, 다른 장치 내에서 고체 원료를 진공 중에서 가열 기화시켜서 챔버 내로 도입해도 되고, 기체 원료 가스 그 자체를 챔버 내에 공급하도록 해도 된다. 이러한 분기쇄 포화 탄화수소의 탄소수로서, 4 이상 16 이하를 예시할 수 있다. 또한, 분기쇄 포화 탄화수소의 탄소수를 5 이상으로 하는 것이 바람직하며, 6 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, 분기쇄 포화 탄화수소의 탄소수를 10 이하로 하는 것이 바람직하고, 8 이하로 하는 것이 보다 바람직하며, 7 이하로 하는 것이 특히 바람직하다. 이 때문에, R1, R2 및 R3의 합계 탄소수는 3 이상 15 이하로 할 수 있다. 또한, 이들 R1, R2 및 R3의 합계 탄소수를 4 이상으로 하는 것이 바람직하고, 5 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, 이들 R1, R2 및 R3의 합계 탄소수를 9 이하로 하는 것이 바람직하고, 7 이하로 하는 것이 보다 바람직하며, 6 이하로 하는 것이 특히 바람직하다.
[0026] 또한, 상기 식 (I)에 있어서의 R1, R2 및 R3의 탄소수는, 이미 기술한 합계 탄소수를 만족하면, 각각 독립하여, 1 이상이며, 2 이상으로 할 수 있고, 3 이상으로 할 수 있다. 마찬가지로, 이미 기술한 합계 탄소수를 만족하면서, R1, R2 및 R3의 탄소수는, 각각 독립하여, 4 이하로 할 수 있고, 3 이하로 할 수 있으며, 2 이하로 할 수 있다. R1, R2 및 R3의 탄소수는 모두 동일해도 되고, 어느 2개의 탄소수를 동일하게 할 수도 있으며, 모두 상이해도 된다.
[0027] 그런데, 본 발명자가 열심히 검토한 바, 탄화수소계 화합물 원료로부터 클러스터 이온 빔을 생성할 때, 빔 전류치를 종래보다 큰 폭으로 증대시키기 위해서는, 이온원에 있어서의 원료의 분해 조건을 조정하는 것만으로는 한계가 있었다. 그런데, 포화 탄화수소(알칸)에 있어서, 제3급 탄소 원자와 알킬기 간의 결합은, 괴리(乖離) 시에 생성하는 라디칼(radical)이 안정적이기 때문에, 제1급 탄소 원자 또는 제2급 탄소 원자와 알킬기 간의 결합에 비해 결합 해리 에너지가 작다. 이 때문에, 전자충격법에 의해 상기 식 (I)로 나타내어지는 분기쇄 포화 탄화수소에 전자가 충돌할 때, 제3급 탄소 원자와 그 결합처의 알킬기 간의 결합에 있어서 우선적으로 괴리가 생겨, 라디칼 및 이온이 생성되기 쉽다. 이 때문에, 클러스터 이온 빔의 생성 효율을 높일 수 있다고, 본 발명자는 생각하였다. 따라서, 본 발명자는 이 점에 주목하여, 상기 식 (I)로 나타내어지는 분기쇄 포화 탄화수소를 탄화수소계 화합물 원료로서 이용함으로써, 생성하는 클러스터 이온 빔의 빔 전류치를 종래에 비해 큰 폭으로 증대시킬 수 있음을 알아내고, 그 효과를 실험적으로 분명히 하였다.
[0028] 이와 같이, 본 실시형태에 따른 분기쇄 포화 탄화수소를 탄화수소계 화합물 원료에 이용함으로써, 클러스터 이온 빔의 빔 전류치를, 종래에 비해 큰 폭으로 증대시킬 수 있다. 본 실시형태에 의해, 탄화수소계의 클러스터 이온 빔에 있어서, 얻어지는 빔 전류치를 1000μA 이상으로 할 수 있고, 1200μA로 할 수 있고, 1500μA 이상으로 할 수 있고, 1800μA 이상으로 할 수 있으며, 나아가서는, 2000μA 이상으로 할 수 있다.
[0029] 여기서, 상기 식 (I)로 나타내어지는 분기쇄 포화 탄화수소는, 제3급 탄소 원자를 1개만 가지는 것이 바람직하다. 즉, 식 (I)에 있어서의 R1, R2 및 R3는 모두 직쇄상의 포화 알킬기로 하는 것이 바람직하다. 예컨대, R1을 메틸기, 에틸기, n-프로필기, n-부틸기 중 어느 하나로 하고, R2 및 R3를 메틸기 또는 에틸기 중 어느 하나로 할 수 있다.
[0030] 이러한 분기쇄 포화 탄화수소로서, 2-메틸프로판, 2-메틸부탄, 2-메틸펜탄, 2-메틸헥산, 2-메틸헵탄 등을 예시할 수 있다. 이들 분기쇄 포화 탄화수소를 탄화수소계 화합물 원료에 이용함으로써, 보다 확실하게 클러스터 이온 빔의 빔 전류치를 증대시킬 수 있다.
[0031] 한편, 상기 식 (I)로 나타내어지는 분기쇄 포화 탄화수소는, 제3급 탄소 원자를 2 또는 3 이상 가지며, 이들 2 또는 3 이상의 제3급 탄소 원자는, 모두 1 또는 2 이상의 제2급 탄소 원자를 통해 결합하는 것도 바람직하다. 특히, 상기 분기쇄 포화 탄화수소는 제3급 탄소 원자를 2개 가지는 것이 바람직하다. 후자의 분기쇄 포화 탄화수소는, 하기 식 (II)에 의해 나타낼 수 있다.
[화학식 2]
Figure 112018088609240-pct00002
여기서, 상기 식 (II)에 있어서, 제3급 탄소 원자에 결합하는 R4는 직쇄상의 포화 알킬렌기이며, R5, R6, R7 및 R8은, 모두 직쇄상의 포화 알킬기이다.
[0032] 이미 기술한 바와 같이, 제3급 탄소가 있는 경우, 탄소 라디칼이 생성되기 쉬워진다. 그러나, 본 발명자의 검토에 의하면, 제3급 탄소끼리 결합하고 있는 경우, 결합 해리 에너지가 너무 작아서, 전자 충돌에 의해 이온화가 폭발적으로 발생되어 버려, 제어가 곤란해지는 경우가 있음이 확인되었다. 이러한 경우, 클러스터 이온 빔의 빔 전류치는, 오히려 작아져 버리는 경우가 있다. 따라서, 본 실시형태에서 이용하는 분기쇄 포화 탄화수소에 있어서, 제3급 탄소 원자가 2 또는 3 이상 있는 경우에는, 이들 2 또는 3 이상의 제3급 탄소 원자는, 모두 1 또는 2 이상의 제2급 탄소 원자를 통해 결합한 것을 이용하는 것이 바람직하다.
[0033] 여기서, 식 (II)에 의해 나타내어지는 분기쇄 포화 탄화수소의 탄소수도, 하한이 7인 것 이외에는, 식 (I)의 분기쇄 포화 탄화수소의 탄소수와 동일하다. 이 때문에, R4, R5, R6, R7 및 R8의 합계 탄소수는 5 이상 14 이하로 할 수 있다. 또한, 이들 R4, R5, R6, R7 및 R8의 합계 탄소수를 5 이상으로 하는 것이 바람직하고, 6 이상으로 하는 것이 바람직하며, 7 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 이들 R4, R5, R6, R7 및 R8의 합계 탄소수를 9 이하로 하는 것이 바람직하고, 8 이하로 하는 것이 바람직하며, 7 이하로 하는 것이 바람직하다.
[0034] 그리고, 상기 식 (II)에 있어서의 R4, R5, R6, R7 및 R8의 탄소수는, 이미 기술한 합계 탄소수를 만족하면서, 각각 독립하여, 1 이상이며, 2 이상으로 할 수 있고, 3 이상으로 할 수 있다. 마찬가지로, 이미 기술한 합계 탄소수를 만족하면서, R4, R5, R6, R7 및 R8의 탄소수는, 각각 독립하여, 4 이하로 할 수 있고, 3 이하로 할 수 있으며, 2 이하로 할 수 있다. R4, R5, R6, R7 및 R8의 탄소수는 모두 동일해도 되고, 어느 2개, 3개 또는 4개의 탄소수를 동일하게 할 수도 있고, 모두 상이해도 된다.
[0035] 이와 같은 분기쇄 포화 탄화수소로서, 2,4-디메틸펜탄, 2,4-디메틸헥산, 2,4-디메틸헵탄, 2,5-디메틸헥산, 2,5-디메틸헵탄 등을 예시할 수 있다. 이들 분기쇄 포화 탄화수소를 탄화수소계 화합물 원료 가스에 이용함으로써, 보다 확실하게 클러스터 이온 빔의 빔 전류치를 증대시킬 수 있다.
[0036] 또한, 상기 식 (II)의 분기쇄 포화 탄화수소를 이용하는 경우, 2개의 제3급 탄소 원자가, 1개의 제2급 탄소 원자를 통해 결합하는 것이 바람직하다. 즉, 식 (II)에 있어서의 R4가, 메틸렌기인 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 식 (II)에 따른 분기쇄 포화 탄화수소로서, 2,4-디메틸펜탄, 2,4-디메틸헥산, 2,4-디메틸헵탄을 이용할 수 있다. 이러한 분기쇄 포화 탄화수소를 탄화수소계 화합물 원료 가스에 이용함으로써, 보다 확실하게 클러스터 이온 빔의 빔 전류치를 증대시킬 수 있다.
[0037] 또한, 클러스터 이온은 결합 양식에 따라 다양한 종류의 클러스터가 존재하며, 예컨대 이하의 문헌에 기재된 바와 같은 공지의 방법으로 생성할 수 있다.
(1) 하전입자 빔 공학： 이시카와 쥰조： ISBN978-4-339-00734-3： 코로나사(CORONA PUBLISHING CO., LTD.)
(2) 전자·이온 빔 공학： 전기 학회： ISBN4-88686-217-9： 옴사(Ohmsha, Ltd.)
(3) 클러스터 이온 빔 기초와 응용： ISBN4-526-05765-7： 일간공업신문사(NIKKAN KOGYO SHIMBUN, LTD.)
또한, 일반적으로, 양전하의 클러스터 이온의 발생에는 닐슨형 이온원 혹은 카우프만형 이온원이 이용되며, 음전하의 클러스터 이온의 발생에는 체적생성법을 이용한 대전류 음이온원이 이용된다.
[0038] 또한, 생성된 클러스터 이온의, 탄소 1 원자당의 가속 전압은, 0 keV/atom 초과 50 keV/atom 이하로 하며, 바람직하게는 40 keV/atom 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 클러스터 사이즈는, 탄화수소계 화합물 원료를 구성하는 분기쇄 포화 탄화수소에도 의존하지만, 2∼50개 이하로 할 수 있다.
[0039] 또한, 가속 전압의 조정에는, (1) 정전 가속, (2) 고주파 가속의 두 가지 방법이 일반적으로 이용된다. 전자의 방법으로서는, 복수의 전극을 등간격으로 늘어놓고, 이들 사이에 동일한 전압을 인가(印加)하여, 축 방향으로 등가속 전계를 만드는 방법이 있다. 후자의 방법으로서는, 이온을 직선 형상으로 달리게 하면서 고주파를 이용하여 가속하는 선형 라이낙법이 있다. 또한, 클러스터 이온 빔의 클러스터 사이즈 및 빔 전류치의 조정은, 진공 용기의 압력(도입할 가스의 유량) 및 이온화할 때의 필라멘트에 인가하는 전압 등을 조정함으로써 행할 수 있다. 또한, 클러스터 사이즈는, 사중극(四重極) 고주파 전계나 단수렴(單收束) 선형(扇形) 자장을 이용한 질량분리법을 이용하여 행하는 것이 가능하다.
[0040] 이하에서는, 도 2의 (a), (b), (c)(이하에서는, 도 2의 (a)∼(c)라 함)를 참조하면서, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 클러스터 이온 빔 조사 방법을 설명한다. 또한, 동일한 구성 요소에는 원칙적으로 동일한 참조 번호를 붙이며, 그 설명은 생략한다. 또한, 도 2의 (a)∼(c)에서는 설명의 편의상, 실제의 두께 비율과는 달리, 반도체 웨이퍼(10)에 대해 에피택셜층(20)의 두께를 과장하여 나타내고 있다.
[0041] (클러스터 이온 빔 조사 방법)
도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 클러스터 이온 빔 조사 방법은, 상기 클러스터 이온 빔 생성 방법의 실시형태를 이용하여 생성한 클러스터 이온 빔(C)을, 반도체 웨이퍼(10)의 표면(10A)에 조사한다. 본 실시형태에서는, 빔 전류치가 종래보다 증대된 클러스터 이온 빔 조사를 행하는 것이 가능하다. 이 때문에, 종래 기술과 동일한 도스량의 클러스터 이온을 조사하는 것이라면, 종래 기술에 비해 조사 시간을 짧게 할 수 있다.
[0042] 또한, 반도체 웨이퍼(10)로서는, 예컨대 실리콘, 화합물 반도체(GaAs, GaN, SiC)로 이루어지며, 표면에 에피택셜층을 가지지 않는 벌크의 단결정 웨이퍼를 들 수 있다. 또한, 반도체 웨이퍼(10)는, 초크랄스키법(CZ법)이나 부유 대역 용융법(FZ법)에 의해 육성된 단결정 실리콘 잉곳을 실톱 등으로 슬라이스한 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있다. 또한, 실리콘 웨이퍼에는, 탄소 및/또는 질소를 첨가해도 된다. 또한, 임의의 불순물 도펀트를 첨가하여, n형 또는 p형으로 해도 된다. 또한, 반도체 웨이퍼(10)로서는, 벌크 반도체 웨이퍼 표면에 반도체 에피택셜층이 형성된 에피택셜 반도체 웨이퍼를 이용할 수도 있다.
[0043] 또한, 클러스터 이온의 도스량은, 빔 전류치 및 이온 조사 시간을 제어함으로써 조정할 수 있다. 클러스터 이온의 탄소의 도스량을, 예컨대 1×1013∼1×1016 atoms/cm2로 할 수 있다. 그리고, 이미 기술한 바와 같이, 빔 전류치를 1000μA 이상으로 할 수 있고, 1200μA 이상으로 할 수 있고, 1500μA 이상으로 할 수 있고, 1800μA 이상으로 할 수 있으며, 나아가서는, 2000μA 이상으로 할 수 있다.
[0044] (참고 실시형태： 반도체 에피택셜 웨이퍼의 제조 방법)
도 2의 (a) 내지 (c)에 나타낸 바와 같이, 상기 클러스터 이온 빔 생성 방법의 실시형태를 이용하여 생성한 클러스터 이온 빔(C)을 반도체 웨이퍼(10)의 표면(10A)에 조사하여(도 2의 (a)), 해당 반도체 웨이퍼(10)의 표면부에, 클러스터 이온의 구성 원소가 고용된 개질층(18)을 형성하는(도 2의 (b)) 클러스터 이온 빔 조사 공정과, 반도체 웨이퍼(10)의 개질층(18) 상에 에피택셜층(20)을 형성하는(도 2의 (c)) 에피택셜층 형성 공정을 포함함으로써, 반도체 에피택셜 웨이퍼(100)를 제조할 수 있다.
[0045] 클러스터 이온 빔 조사 공정에 의해 형성되는 개질층(18)은, 반도체 웨이퍼(10)의 표면부에 있어서의 결정의 격자 간 위치 또는 치환 위치에 탄소가 고용되어 국소적으로 존재하는 영역이며, 강력한 게터링 사이트로서 작용할 수 있다.
[0046] 에피택셜층 형성 공정에 있어서, 개질층(18) 상에 형성하는 에피택셜층(20)으로서는, 실리콘 에피택셜층을 들 수 있으며, 일반적인 조건에 의해 형성할 수 있다. 예컨대, 수소를 캐리어 가스로 하여, 디클로로실란, 트리클로로실란 등의 소스 가스를 챔버 내에 도입하고, 사용하는 소스 가스에 의해서도 성장 온도는 달라지지만, 대략 1000∼1200℃ 온도 범위의 온도로 CVD법에 의해 반도체 웨이퍼(10) 상에 에피택셜 성장시킬 수 있다. 에피택셜층(20)의 두께는 1∼15μm의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.
[0047] 본 실시형태에 따른 클러스터 이온 빔 조사 방법을 이용함으로써, 우수한 게터링 능력을 가지는 반도체 에피택셜 웨이퍼를 제조할 때의 처리량을 종래보다 개선할 수 있다.
실시예
[0048] 이하에서는, 실시예를 이용하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하겠으나, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것이 전혀 아니다.
[0049] (발명예 1)
클러스터 이온 발생 장치(NISSIN ION EQUIPMENT CO. LTD. 제조, 모델 번호： CLARIS)를 이용하고, 2-메틸펜탄(C6H14)을 원료로서 이용하여, 클러스터 이온화된 C3H5의 클러스터 이온을 생성하였다. 얻어진 클러스터 이온 빔의 빔 전류치는 2000μA였다.
[0050] (발명예 2)
발명예 1에 있어서, 2-메틸펜탄 대신에, 2,4-디메틸펜탄(C7H16)을 원료로 이용한 것 이외에는, 발명예 1과 동일하게 하여, 클러스터 이온화된 C3H5의 클러스터 이온을 생성하였다. 얻어진 클러스터 이온 빔의 빔 전류치는 1800μA였다.
[0051] (종래예 1)
발명예 1에 있어서, 2-메틸펜탄 대신에, 시클로헥산(C6H12)을 원료로 이용한 것 이외에는, 발명예 1과 동일하게 하여, 클러스터 이온화된 C3H5의 클러스터 이온을 생성하였다. 얻어진 클러스터 이온 빔의 빔 전류치는 800μA였다.
[0052] (비교예 1)
발명예 1에 있어서, 2-메틸펜탄 대신에, 헥산(C6H14)을 원료로 이용한 것 이외에는, 발명예 1과 동일하게 하여, 클러스터 이온화된 C3H5의 클러스터 이온을 생성하였다. 얻어진 클러스터 이온 빔의 빔 전류치는 800μA였다.
[0053] (비교예 2)
발명예 1에 있어서, 2-메틸펜탄 대신에, 2,3-디메틸부탄(C6H14)을 원료로 이용한 것 이외에는, 발명예 1과 동일하게 하여, 클러스터 이온화된 C3H5의 클러스터 이온을 생성하였다. 얻어진 클러스터 이온 빔의 빔 전류치는 20μA였다.
[0054] 이상의, 발명예 1, 2, 종래예 1 및 비교예 1, 2의 결과를, 하기의 표 1에 기재한다.
[0055] [표 1]
Figure 112018088609240-pct00003
[0056] ＜평가＞
발명예 1, 2에서는, 종래예 1에 의해 얻어지는 빔 전류치의, 배(倍) 이상의 빔 전류치가 얻어짐을 확인할 수 있었다. 발명예 1, 2는, 종래예 1 및 비교예 1과 달리, 제3급 탄소 원자를 포함하기 때문에 결합 괴리가 생기기 쉬워지며, 그 결과, C3H5의 클러스터 이온을 추출하기 쉬워졌기 때문이라고 생각된다. 한편, 비교예 2에는, 제3급 탄소 원자가 포함되지만, 방전이 많아, 클러스터 이온 빔의 형성이 곤란했기 때문에, 빔 전류치는 종래예 1보다 작았다. 이것은 2,3-디메틸부탄 중앙의 제3급 탄소 간의 결합이 매우 약해져 있기 때문에, 클러스터 이온을 생성할 때의 제어가 곤란할 정도로, 이온 생성이 폭발적으로 진행되었기 때문이라고 생각된다.
산업상의 이용 가능성
[0057] 본 발명에 의하면, 클러스터 이온 빔의 빔 전류치를 종래보다 증대시킬 수 있는 클러스터 이온 빔 생성 방법을 제공할 수 있다. 나아가, 본 발명은, 빔 전류치를 종래보다 증대시킬 수 있는 클러스터 이온 빔 조사 방법을 제공할 수 있다. 따라서, 반도체 산업에 있어서 특히 유용하다.
[0058] 1 : 원료
2 : 클러스터 이온
4 : 단원자 이온
6 : 다원자 이온
10 : 반도체 웨이퍼
10A : 반도체 웨이퍼의 표면
18 : 개질층
20 : 에피택셜층
100 : 반도체 에피택셜 웨이퍼
C : 클러스터 이온 빔
T : 타깃

Claims (6)

  1. 탄화수소계 화합물 원료로부터, 구성 원소에 탄소 및 수소를 가지는 클러스터 이온의 빔을 생성하는 클러스터 이온 빔 생성 방법으로서,
    상기 탄화수소계 화합물 원료는, 2-메틸프로판, 2-메틸부탄, 2-메틸펜탄, 2-메틸헥산 및 2,4-디메틸펜탄으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 화합물인, 클러스터 이온 빔 생성 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 기재된 클러스터 이온 빔 생성 방법을 이용하여 생성한 클러스터 이온 빔을, 반도체 웨이퍼의 표면에 조사하는 것을 특징으로 하는 클러스터 이온 빔 조사 방법.
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