KR20080011421A - 광 흡수 층의 저온 플라즈마 증착 및 고속 광학 어닐링을포함하는 반도체 접합 형성 프로세스 - Google Patents

광 흡수 층의 저온 플라즈마 증착 및 고속 광학 어닐링을포함하는 반도체 접합 형성 프로세스 Download PDF

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카르틱 라마스와미
히로지 하나와
비아지오 갈로
케니쓰 에스. 콜린스
카이 마
비제이 파리하르
딘 젠잉스
아브힐아쉬 마유르
아미르 알-바야티
앤드류 구옌
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

반도체 재료 소재 내에 반도체 접합을 형성하는 방법이 상기 반도체 재료의 선택된 영역 내에 도펀트 불순물을 이온 주입하는 단계, 상기 소재를 포함하는 챔버 내측으로 광 흡수 재료 전구체를 도입시키는 단계, 상기 소재상에 광 흡수 재료의 층을 증착시키기 위해서, 상기 소재 상에서 RF 소오스 전력을 인가함으로써 프로세스 존을 포함하는 재입구 경로 내에 RF 진동 환상형 플라즈마 전류를 발생시키는 단계, 상기 반도체 재료 내의 도펀트 불순물을 활성화하기 위해서 상기 소재를 광학적으로 어닐링 하는 단계를 포함한다.

Description

광 흡수 층의 저온 플라즈마 증착 및 고속 광학 어닐링을 포함하는 반도체 접합 형성 프로세스 {A SEMICONDUCTOR JUNCTION FORMATION PROCESS INCLUDING LOW TEMPERATURE PLASMA DEPOSITION OF AN OPTICAL ABSORPTION LAYER AND HIGH SPEED OPTICAL ANNEALING}
결정질 반도체 웨이퍼 상에 형성되는 고속 집적 회로는 이온 주입 도펀트 불순물에 의해 공급원 내측으로 형성되는 극히 얕은(ultra-shallow) 반도체 접합부 및 드레인 영역을 가진다. 주입된 도펀트 불순물은 주입원자를 결정질 반도체 격자 내에서 치환시키는 고온 어닐링 단계에 의해 활성화된다. 이러한 포스트 이온(post-ion) 주입 어닐링 단계는 동력 램프(powerful lamp)를 사용하는 신속한 열 프로세스(RPT)에 의해 수행되며, 상기 램프는 전체 웨이퍼 용적을 짧은 시간 동안 매우 높은 온도로 (예를 들어, 초당 약 100~200 ℃의 상승률 및 초당 50~100℃의 저하율) 가열한다. 가열 주기는 반도체 웨이퍼 내의 주입 위치로부터 도펀트 불순물의 열적 유도 확산에 의해 주입 접합 정의역을 퇴화(degrading)시키는 것을 방지해야만 한다. 이러한 RTP 접근은 긴 주기 동안 노 내의 웨이퍼를 가열하는 보다 초기의(older) 포스트-이온 주입 어닐링 기술 보다 양호한 개선점을 가진다. 램프를 이용하는 RTP는 열 공급원(램프 필라멘트)의 응답 시간이, 히터 응답 시간이 매 우 느린 노 어닐링 단계에 비해 짧기 때문에 효과적이다. 고온의 짧은 가열 주기의 RPT 방법은 열적 유도 확산을 최소화하면서 주입되는 불순물의 활성화를 촉진한다.
개선된 어닐링은 매우 짧은 시간(예를 들어, 수 밀리 초) 동안 매우 높은 온도에서 전체 웨이퍼의 표면(만)을 가열하는 동력 플래시 램프를 사용하는 플래시 램프 어닐링 프로세스에 의해 수행된다. 가열 주기는 반도체 웨이퍼 내의 주입되는 위치로부터 도펀트 불순물의 열적 유도 확산에 의한 주입 접합 정의역을 퇴화시키는 것을 방지하기 위해서 짧아야만 한다. 이러한 플래시 접근은 다수의 웨이퍼가 히트 싱크(heat sink)로서 작용하고 고온 웨이퍼 표면의 급속 냉각을 허용하기 때문에 RPT 접근 보다 개선된 접근이다. 플래시램프를 이용하는 고속 어닐링은 보다 효과적이며 이는 웨이퍼의 전체 용적이 대략 동일한 어닐링 온도에서 가열되는 RPT 어닐링 단계에 비해 가열이 웨이퍼의 표면에 한정되기 때문이다. 플래시 방법의 고온에서의 짧은 주기는 열적 유도 확산을 최소화시킨다. 그러나 전체 웨이퍼에 걸쳐서 열 균일성을 달성하기에 어렵다. 웨이퍼 내에서의 보다 큰 열적 불균일성은 상당한 양의 기계적 응력을 생성하여 웨이퍼 파손을 야기하여, 플래시 램프를 이용하는 어닐링을 위해 가장 높은 작동 온도를 약 1150℃로 제한한다. 플래시램프 어닐링 중의 표면 온도는 하나의 웨이퍼에서 다른 웨이퍼로 반복 방식으로 제어하기 어려운, 플래시 램프의 강도 및 펄스 주기에 의해 결정된다.
RTP가 가지는 하나의 문제점은 소자 크기가 65 나노미터(nm) 미만으로 감소함에 따라, RTP 또는 플래시 가열에 의해 야기되는 최소의 열 확산이 짧은 주기의 RTP 또는 플래시 가열에도, 소자 크기에 비해 상당해 진다는 점이다. 다른 문제점은 주입되는 도펀트 불순물의 활성 정도가 RTP 또는 플래시 프로세스의 최대 온도에 의해 제한되는 점이다. 최대 온도(예를 들어, 1100℃)보다 높게 RTP 프로세스로 전체 웨이퍼 용적을 가열하는 것은 극도의 경우에 웨이퍼 파손 및 격자 결함을 야기하는, 웨이퍼 내의 기계적 응력을 생성시킬 수 있다. 웨이퍼 온도를 최대 레벨(예를 들어, 1100℃)로 제한하는 것은 이러한 파손을 방지하지만, 공교롭게도 활성화되는(즉, 반도체 결정 격자 내에 대체되는) 주입되는 (도펀트) 원자 비율을 제한한다. 도펀트 활성을 제한하는 것은 시트 전도성을 제한하며 소자 속도를 제한하다. 이러한 문제는 소자 크기가 65nm(예를 들어, 45 nm 미만) 미만으로 감소함에 따라 더욱 현저해진다.
RTP 또는 플래시 어닐링에 의해 달성되는 도펀트 활성 레벨을 상승시키기 위해서, 레이저 어닐링이 RTP의 대체로서 도입되어왔다. 이용되는 레이저의 한 형태는 10.6 미크론의 방출 파장을 가지는 CO2 레이저이다. 이 레이저는 좁은 원통형 비임을 생성하며, 이는 전체 웨이퍼 표면을 따라 래스터-스캐닝(raster-scanned)되어야만 한다. 표면 반사력을 10.6 미크론으로 감소시키기 위해서, 비임은 웨이퍼 표면에 대해 예각으로 유지된다. 실리콘의 띠 간격보다 작은 광자 에너지에 대응하기 때문에, CO2 레이저 파장은 자유 캐리어 흡수를 통해 10.6 미크론 광자의 흡수를 용이하게 하기 위해서, 실리콘은 자유 캐리어를 이용하여 전도성 밴드를 분포(populate)시키도록 예열 되어야만 한다. 근본적인 문제점은 (그 중에서도 특히 국부적 자유 캐리어 농도를 결정하는) 도펀트 불순물에 의해 영향을 받기 때문에 10.6 미크론에서의 흡수가 패턴-의존적이어서, 웨이퍼 표면은 균일하게 가열되지 않는다. 또한, 웨이퍼 상의 전도성 또는 금속성 피쳐는 10.6 미크론 레이저 파장에서 고도로 반사적이어서 이러한 프로세스는 전도성 박막 피쳐의 존재에서 유용할 수 없다.
포스트-주입 어닐링 단계는 (실리콘의 밴드갭 보다 큰 광자 에너지에 대응하는 단 파장) 단 파장 펄스 레이저를 이용하여 수행되어 왔다. 표면 가열이 극도로 신속하고 얕으면서, 이러한 펄스 레이저는 반도체 결정을 녹는점에 이르게 하여, 이러한 접근의 유용함을 감소시키는, 극히 얕은 깊이로 제한되어야만 한다. 통상적으로 가열된 영역의 깊이는 극히 얕은 접합(약 200 Å)의 깊이 아래로 연장하지 않는다.
전술된 문제점은 다이오드 레이저 배열을 이용함으로써 극복될 수 있으며, 상기 다이오드 레이져의 다중 평형 비임은 웨이퍼 직경 또는 반경에 속하는 길이를 가지는 좁은 라인(예를 들어, 약 300 미크론 폭)을 따라 포커싱된다. 이러한 파장은 반도체 결정(실리콘)의 밴드갭 에너지를 초과하여 광자 에너지에 대응하여 레이저 에너지는 가전자대와 전도대 사이의 전자 전이를 일으키며, 후속적으로 격자에 흡수된 에너지를 방출시키며 격자 온도를 상승시킨다. 좁은 레이저 비임 라인은 전체 웨이퍼 표면을 따라 (예를 들어, 약 300 mm/초의 속도로) 가로질러 스캐닝되어, 웨이퍼 표면 상의 각각의 포인트가 매우 짧은 시간(예를 들어, 약 1 밀리초) 동안 노출된다. 이러한 형태의 어닐링은 Dean C. Jennings 등에 의한 미국 특허 US 2003/0196996A1(2003년 10월 23일)에 기재되어 있다. 웨이퍼는 생산성이 더 커 지며, RTP의 생산성에 접근하도록 단일 레이저 스폿의 펜슬형 비임에 의한 것보다 넓고 얇은 비임 라인에 의해 보다 더 신속하게 스캐닝된다. 그러나, RTP와는 달리 웨이퍼 표면의 적은 부분만이 가열되어, 응력이 웨이퍼의 나머지(벌크;bulk) 부분 내에 두드러지며, 최고 온도를 최대 RTP 온도(예를 들어 약 1250~1300℃) 보다 높게 증가시킨다. 전체 웨이퍼 부피는 어닐링의 특징을 개선하기 위해서 레이저 스캐닝 어닐링 중에 예열될 수도 있다. 최대 예열된 온도가 기술 노드, 프로세스 요건, 반도체 재료와의 양립성 등에 의해 지시된다. 결과적으로, 도펀트 활성은 보다 높아서, 시트 저항이 낮고 소자 속도가 보다 높다. 웨이퍼 표면의 각각의 영역은 약 50 마이크로초 동안 약 1250~1300℃의 온도 범위에 도달한다. 이러한 영역의 깊이는 약 10 내지 20 미크론이다. 이는 약 200Å의 극히 얕은 반도체 접합 깊이 아래로 잘 연장한다.
웨이퍼 표면은 주입된(도펀트) 원자의 원하는 활성을 달성하기 위해서 최소 온도(예를 들어, 1250℃)보다 높게 가열되어야만 한다. 상승된 온도는 전기 전도성 및 누출과 같은 접합의 전기적 특성을 개선하기 위해서 임의의 전술된 주입 또는 열적 단계에 의해 야기되는 결함 및 다른 격자 손상을 어닐링하기 위해서 요구되기도 한다. 웨이퍼 표면은 반도체 결정(예를 들어, 결정 또는 다결정 실리콘)의 융점을 방지하기 위해서 최대 온도(예를 들어, 1350℃) 미만으로 유지되어야만 한다. 이러한 원하는 온도 범위 내에서 전체 웨이퍼 표면을 균일하게 가열하기 위해서, 웨이퍼 표면의 광 흡수가 웨이퍼에 걸쳐서 균일해야만 하며, 웨이퍼 표면의 방사된 부분 내의 표면 온도는 레이저 비임 라인이 웨이퍼를 따라 스캐닝되는 동안 (정확한 온도 제어를 할 수 있게 하기 위해서) 정확하게 측정되어야만 한다. 이는 웨이퍼 표면의 가열된 부분에 의해 빛의 방출을 측정함으로써 달성되며, 측정은 균일하게 정확해야 한다. 본 명세서에 사용된 바와 같은, "광"이라는 용어는 가열된 웨이퍼 표면으로부터 방출되거나 적외선 또는 가시광선 또는 적외선인 (레이저와 같은) 광 소오스로부터 방출되는 전자기 방사선 또는 임의의 광 파장을 언급하는 것을 의미한다.
문제점은 웨이퍼 표면상에 형성된 하부 박막 구조물이 웨이퍼 표면상의 여러 위치에서 다른 광 방사율 및 다른 광 흡수 특징을 나타낸다는 점이다. 웨이퍼 표면을 따라 균일한 어닐링 온도를 달성하는 것이 불가능하고 웨이퍼 표면을 따라 균일하게 정확한 온도 측정을 달성하는 것이 불가능하다면 이를 어렵게 만든다. 이러한 문제점은 전체 웨이퍼 표면 위에 균일한 광 흡수 층을 증착함으로써 해결될 수 있으며, 상기 전체 웨이퍼 표면은 레이저 방사선을 균일하게 흡수하며 열을 하부 반도체 웨이퍼에 전한다. 이러한 필름은 레이저 어닐링 단계 중에 손상 또는 분리 없이 가열 응력에 저항해야 하며, 하부 층에 대해 레이저 어닐링 단계 후에 선택적으로 제거될 수 있어야만 하며 그리고 하부 반도체 웨이퍼 또는 박막 피쳐를 오염 또는 손상시키지 않아야 한다. 또한, 흡수 필름은 하부 박막 피쳐 위에 매우 양호한 스텝 커버리지(고도의 등각;high degree of conformality)를 달성해야만 한다. 이러한 필름의 하나의 이점은 필름 내의 측면 열 전도가 광선 비임 내의 불균일성을 감출 수 있다는 점이다. 이러한 접근이 시도되어왔지만 문제점들에 의해 문제가 되고 있다. 한 형태의 흡수 층은 무-반사적 코팅을 형성하는 유전체 층 및 교류 금속으로 구성된다. 이러한 형태의 흡수 재료 내의 여러 층은 광선 비임의 강한 열 하에서 서로 용해되는 경향이 있으며, 후속하는 레이저 어닐링 단계를 제거하거나 금속을 갖는 하부 층을 오염시키는 것을 어렵게 한다.
본 발명에 이용되는 보다 양호한 접근은 흡수 층을 이용하는 것이며, 상기 흡수 층은 플라즈마 강화 화학 증착(PECVD)에 의해 증착될 수 있다. 본 발명의 양수인에게 양도되며 루크 반 오트리비 등에 의해 "DSA 프로세스를 위한 흡수 층(Absorber Layer for DSA Processing)의 명칭으로 2003년 10월 3일 출원된 미국 특허 출원 제 10/679,189 호에 기재된 바와 같이, PECVD-증착된 흡수 층은 비정질 탄소일 수 있다. 비정질 탄소의 하나의 이점은 400℃ 미만의 웨이퍼 온도에서, 라디칼을 이용하는 하류부분의 산화 프로세스 또는 플라즈마 프로세스에서의 산화에 의해 용이하게 그리고 선택적으로(다른 재료의 하부 층에 대해) 제거된다는 점이다. 다른 이점은 탄소가 일반적으로 반도체 플라즈마 프로세스와 양립할 수 있으며, 과도한 주입이 발생하지 않는 한 따라서 오염되지 않는다는 점이다. 하나의 문제점은 층이 매우 놓은 온도(예를 들어, 550℃)에서 증착되지 않는다면, 레이저 어닐링 단계의 고온 하에서 크래킹(cracking) 또는 필링(peeling)에 취약성이 있는 점이다. (고온 구배 또는 고온에 응하는 하부 층으로부터 증착되는 층의 이러한 크래킹, 필링 또는 분리에 증착되는 층의 경향 또는 저항은 열적 또는 열적 기계식 특성으로서 본 명세서에서 일반적으로 언급된다.) PECVD 증착 프로세스와 관련된 열 소모 비용(시간 및 온도)으로는 도펀트가 야기되어 특히 65 nm 미만의 기(예를 들어, 약 45 nm의 피쳐 크기와 같은)피쳐 크에 있어서 후속적인 레이저 어닐링 단계를 이용하여, 용해시키기에 어려운 클러스터(cluster)를 형성한다. 흡수 층 재료의 PECVD 증착 중에 웨이퍼 온도를 (예를 들어 400℃로) 감소시킴으로써 이러한 문제점을 해결하려는 시도는 두 개의 문제점을 일으킨다. 첫 째, 증착 층의 열 특성은 레이저 어닐링 단계 중에(웨이퍼로부터 (크래킹, 필링 또는 분리에 의해) 실패할 것이다. 두 번째, 생성되는 증착 층은 투과성이 있거나 불충분한 광 흡수 상태가된다. 이러한 흡수 층과 충돌하는 다른 문제점은 양호하지 않은 스텝 커버리지를 가진다는 점이다. PECVD 550℃ 흡수 층은 하부 층 또는 65 nm 미만의 박막 필름 구조 크기 내에서 명백한 단계(pronounced step) 전후로 매우 큰 공극을 가질 수 있음이 관찰되었다.
흡수 층의 파손(failure) (예를 들어, 필링 또는 크래킹에 의함)은 레이저 어닐링 단계 중에 1300℃로 신속하게 가열되는 응력을 견딜 수 있는 (하부 층과 증착되는 재료 사이의) 우수한(high quality) 화학적 결합의 결여에서 비롯된다고 생각한다. 증착되는 층의 열적 특성을 개선하기 위해서, 저온에서 이러한 우수한 결합을 달성하는 것은 PECVD 프로세스 중에 높은 이온 에너지를 필요로 한다고 생각한다. 이러한 높은 이온 에너지는 통상의 PECVD 반응기에서 용이하게 달성될 수 없다. 흡수 층 또는 비정질 탄소 층에 의한 양호하지 않은 스텝 커버리지는 알맞은 레벨의 에너지 이온 충돌 상태의 이온화의 중간 범위(이온 대 라디칼 비율)를 제공하는 데 있어 통상의 PECVD 또는 HDPCVD 반응기의 불가능성(inability)의 결과이다. 이러한 결함(inadequacies)은 부분적으로 일어나며, 이는 이러한 통상의 PECVD 및 HDPCVD 반응기가 광범위한 중간 범위(wide intermediate range)의 소오스 전력 커플링(플라즈마 전자를 발생시킴), 챔버 압력 및 웨이퍼 전압 내에서 작동할 수 없기 때문이다. 실제로, 여러 형태의 통상의 PECVD 및 HDPCVD 반응기는 매우 높거나 매우 낮은 범위에서 소오스 전력 커플링(플라즈마 전자를 발생시킴), 챔버 압력 및 웨이퍼 전압을 작동시키는 경향이 있다. 통상의 PECVD 반응기는 상대적으로 높은 압력에서 용량성 연결식 RF 소오스 전력을 사용하며, 적합한 레벨의 에너제틱 이온 충돌(energetic ionbombardment) (및 전압 또는 에너지의 관련 제어(no separate control) 상태의 매우 낮은 범위의 이온화(이온 대 라디칼 비율)를 야기한다. 이는 비능률적인 소오스 전력 커플링(플라즈마 전자를 발생시킴) 및 고 압력에서 중성자와의 충돌에 의한 이온 에너지의 제동으로 인해서이다. 웨이퍼의 개별 RF 바이어싱이 추가될지라도, 고압에서 중성자의 충돌에 의한 이온 에너지의 제동은 전압 및 에너지 범위를 낮은 범위로 제한한다. 반대로, 통상의 HDPCVD 반응기는 통상적으로 매우 낮은 압력에서 유도 연결식 RF 소오스 전력을 이용한다. 이러한 형태의 플라즈마 소오스는 통상적으로 플라즈마를 전기 용량적으로 일으키며, 유도 연결식 전력 모드에 전이에 대한 높은 전력 한계치를 가진다. 연결된 전력이 이러한 한계치보다 높고 소오스가 유도 모드로 작동한다면, 소오스 전력 커플링이 매우 효과적이며, 최소의 가능한 플라즈마 밀도 및 이온화의 범위(이온 대 라디칼 비율)가 매우 높다. 개별 RF 웨이퍼 바이어스가 상대적으로 고밀도 플라즈마에 연결되며, 매우 낮은 전기적 임디던스 로드가 존재한다. 에너제틱 이온 충돌을 생성시키기 위해서 요구되는 최종 RF 바이어스 전력은 매우 높다(>2kV인 경우에 >>10 kW). 높은 에너지는 일반적으로 실제 RF 전달 시스템 제한(RF 발생기, 매칭 네트워크 및 공급 구조(feed structures))로 인해서 도달할 수 없다. 대부분의 바이어스 전력(예를 들어, 80% 이하)은 웨이퍼 상에 열로서 방산된다. 웨이퍼를 낮은 온도(<400 ℃ 또는 그 미만)에서 유지시키기 위해서 낮은 압력에서 적합한 비율로 열을 제거하는 것은 매우 어렵다. 최종적으로, 용량성 연결식 PECVD 및 유도 연결식 HDPCVD 반응기 모두는 흡수성 또는 반도체성 필름을 (RF 윈도우 또는 절연체 상에) 증착할 때 탄소 화학물질을 이용하는 경우 (작동 상태에서; with on time) 전력 커플링 드리프트 문제가 생길 수 있다. 광범위한 중간 범위의 소오스 전력 커플링 및 레벨, 웨이퍼 전압 및 챔버 압력으로 작동하는 역랴을 통해서 (하기에 상세히 설명되는 환상형 플라즈마 CVD 반응기에 의해 수행되는), 모든 경우에 적합한 레벨의 에너제틱 이온 충돌을 이용하여 서로 광범위한 중간 범위 내에서의 이온화 비율을 제공할 수 있는 반응기를 위해서 필요하다. 환상형 플라즈마 CVD 반응기는 흡수성 또는 반도체성 필름을 증착할 때 탄소 화학물질을 이용하는 경우에 전력 커플링 드리프트가 존재하지 않는다. 이는 환상형 플라즈마 CVD 반응기가 이미 전도성 (금속)이기 때문이며 초 박막의 절연되는 직류 차단(DC breaks)을 가지며, 증착물을 많이 축적하지 않고 용이하게 인-시츄(in-situ) 플라즈마 세정된다.
한 형태의 통상의 PECVD 반응기는 RF 플라즈마 소오스 전력이 인가되는 한 쌍의 근접하여 이격된(closely-spaced) 평행한 플레이트 전극을 가지는 용량성 결합식 플라즈마 반응기이다. 이러한 용량성 결합식 반응기는 통상적으로 고 압력 챔버(2~10 토르)에서 작동된다. 고압력 및 (전극 반경에 대한) 근접-이격은 웨이퍼 상의 증착 비율을 최대화하고 프로세스 영역 외측의 증착을 최소화하기 위해서 사용된다. 플라즈마 소오스 전력은 대량의 플라즈마 내의 전자 및 플라즈마 시스(plasma sheath) 내의 이온 모두에 연결된다. 전극에 걸친 전압은 통상적으로 상대적으로 낮으며(300 mm 웨이퍼에 있어서 수 kW의 소오스 전력에서 1KVpp 미만) 플라즈마 시스는 매우 충돌 적이어서 이온 에너지가 통상적으로 낮다. 이러한 형태의 반응기는 매우 낮은 이온-대-중성자 분포 비율 및 이온-대-라디칼 비율을 생성시켜서, 이온 플럭스가 낮으며, 증착되는 재료와 하부 재료 사이의 필요한 우수한 결합을 달성하는데 요구되는 웨이퍼 온도 또는 이온 에너지 레벨을 대개 증가시킨다. 그러나, 낮은 상호 전극 전압 및 충돌적 시스 내의 이온 에너지의 높은 손실로 인해서, 우수한 결합을 위해 필요한 이온 에너지 분포를 발생시키는 것이 어렵다.
다른 형태의 통상의 PECVD 반응기는 RF 소오스 전력이 유도 안테나에 인가되는 유도 결합식 고 플라즈마 밀도 CVD(HPDCVD) 반응기이다. 반응기는 높은 플라즈마 밀도를 차례로 생성시키는 유도 결합식 플라즈마 모드를 유지하기 위해서 필요한 극소 유도 전기 장으로 인해서 낮은 챔버 압력(예를 들어, 5~10 밀리토르) 및 높은 플라즈마 소오스 전력 레벨에서 작동해야만 한다. 이러한 반응기 내에 생성되는 이온화 정도(이온-대-중성자 밀도의 비율)는 매우 높은 값의 범위(전술된 용량성 반응기의 이온화 정도 보다 큰 10의 4승 또는 5승)로 한정되며, 이는 대량의 RF 소오스 전력이 유도 결합식 모드를 유지하기 위해서 요구되기 때문이며, RF 유도 전기장은 대량 플라즈마 내의 전자에 직접 연결된다. 이는 RF 전기장이 플라즈마 시스에 걸쳐서 또는 플라즈마 시스 진동을 통한 변위에 의해 직접 전자에 보다 덜 효율적으로 연결되는 용량성 연결식 플라즈마와 대립된다. 결과적으로, 플라즈마 밀도 및 전도성은 매우 높고, 실제 바이어스 전력 레벨에서 높은 웨이퍼 전압을 발생시키는 것을 어렵게 한다(이는 웨이퍼 전압이 고도의 전도성 플라즈마를 통해 로딩 다운되기 때문이다). 결과적으로, 높은 이온 에너지는 과도한 양의 RF 바이어스 전력을 웨이퍼에 인가하지 않은 채 달성될 수 없다. 이는 웨이퍼를 과열시킬 수 있으며 (열 확산에 의해서) 하부 반도체 결정 격자 내의 극히 얕은 접합 정의역을 아마 파괴할 수 있다. 통상적으로, 300 mm 웨이퍼에 있어서 1~2 kV 피크-투-피크(peak-to-peak)의 웨이퍼 전압은 약 100 kWatts의 RF 바이어스 전력을 필요로 한다. 극히 얕은 접합 정의역을 유지하기 위해서 웨이퍼를 냉각시키는 것이 높은 바이어스 전력, 및 (1~2 kV 보다)더 높은 바이어스 전압에서 어려우며, 따라서 보다 높이 전력이 최상의 필름 특성에 있어서 바람직하다. 10 kW < RF 전력 전달 시스템은 매우 비싸며 제한된 가능성을 갖는다.
HDPCVD 반응기가 갖는 다른 문제점은 큰 비 전도성 윈도우가 플라즈마 소오스 전력이 코일 안테나로부터 유도 연결될 수 있는 챔버 실링 내에 구비되어야만 한다는 점이다. 이는 웨이퍼를 직접 덮는 전도성 샤워헤드의 이용을 방지하며, 이는 웨이퍼에서의 가스 분포 균일성을 제한하며, 웨이퍼에 걸친 RF 바이어스 그라운드 기준 균일성을 제한한다. 더욱이, 반응기가 웨이퍼 상에 비 절연성 재료를 증착하는데 사용된다면, 동일한 재료가 프로세스 중에 유전체 윈도우 상에 축적될 수 있기 때문에 챔버 내측으로의 소오스 전력의 연결이 효과적으로 감소하거나 심지어 방지되며, RF 전력에 전도성 시스 또는 반도체 감쇠기를 생성한다. HDPCVD 반응기의 유전체 윈도우과 같은 비 전도성 표면의 온도는 효과적으로 제어될 수 없어서, 반응기 내부의 포스트 프로세스 세정 및 프로세스 중의 증착이 더 어렵다. 이러한 형태의 반응기와 관련된 문제점은 플라즈마 소오스 전력이 챔버 내의 임의의 이용가능한 전도성 표면으로부터 그라운드 리턴(ground return)을 추구하여, 프로세스 제어가 챔버 표면상의 부산물의 증착으로 인한 전기적 변화에 의해 제한된다. 유전체 및 금속성 재료를 이용하여 챔버 표면을 구성한 상태에서, 프로세스 후에 증착되는 플라즈마 부산물의 제거가 어려울 수 있거나 챔버의 일부분의 과도한 마모를 수반할 수 있다. 이는 1회용 시스 또는 프로세스 키트(process kit)를 사용함으로써 챔버 표면 상의 증착을 방지할 수 있다. 그러나, 이러한 1회용 시스는 양호한 RF 그라운드 기준을 제공할 수 없으며, 임의의 정밀함으로 열적 제어될 수 없다.
요컨대, 통상의 반응기는 좁고 낮은 챔버 압력 윈도우(HDPCVD 반응기의 경우) 또는 좁고 높은 챔버 압력 윈도우(용량성 결합식 반응기의 경우) 중 하나로 한정된다. 어떠한 챔버도 높은 이온 에너지를 달성할 수 없으며, 이는 (용량성 결합식 반응기 내에서) 고도로 충돌적이거나, 플라즈마가 (HDPCVD 반응기 내에서) 고도로 전도성이 있기 때문이다. 또한, 좁고 높은 정도의 이온화 영역(HDPCVD 반응기) 또는 좁고 낮은 정도의 이온화 영역(용량성 결합식 반응기)으로 한정된다. 더욱이, 이러한 형태의 반응기는 이들이 비-절연 재료의 증착을 위해 이용될 때는 언제나 성능면에서 광범위한 편차에 영향을 받기 쉬우며, 이는 유도 연결식 반응기의 유전체 윈도우 상 또는 용량성 결합식 반응기 내의 전극 경계에 걸쳐서 비 절연성 재료의 축적이 챔버 내측으로의 RF 소오스 전력의 커플링을 왜곡시키거나 억제할 것이기 때문이다. (반도체 격자를 포함하는) 하부 층을 갖는 이러한 우수한 결합 상태의 광 흡수층을 형성하기 위해서 매우 낮은 온도(예를 들어, 실온에서 수백 ℃)에서 증착 프로세스가 실행될 필요가 있다면, 레이저 어닐링 단계 중에 기계적 결합 또는 분리에 영향을 받지 않는다. 프로세스는 넓은 소오스 전력 윈도우를 가질 수 있으며, 중간 범위 내에서의 넓은 정도의 이온화 윈도우, 넓은 이온화 에너지 윈도우를 갖는 넓은 웨이퍼 전압(바이어스 전력) 윈도우, 및 넓은 웨이퍼 온도 윈도우를 가질 수 있다.
반도체 재료 소재(workpiece) 내의 반도체 접합을 형성하는 방법은 반도체 재료의 선택된 영역에서 도펀트 불순물을 이온 주입하는 단계, 소재를 포함하는 챔버 내측으로 광 흡수 재료 전구체를 유입하는 단계, 소재 상에 광 흡수 재료의 층을 증착하기 위해서, RF 소오스 전력을 인가함으로써 소재 상에서소재 상에서역을 포함하는 재진입 통로 내의 RF 진동 환상형 플라즈마 전류를 발생시키는 단계, 및 반도체 재료 내의 도펀트 불술문을 활성화시키기 위해서 소재를 광학적으로 어닐링하는 단계를 포함한다.
도 1은 동적 표면 어닐링 장치를 도시하는 도면이며,
도 2는 도 1의 광학 장치의 평면도이며,
도 3은 도 2에 대응하는 정면도이며,
도 4는 도 1의 장치 내에 사용되는 레이저 어레이의 분리 단면도(broken sectional view)이며,
도 5는 도 1의 장치의 균일 광 파이프의 사시도이며,
도 6은 도 5의 광 파이프의 렌즈를 시준 및 포커싱한 상태인 사시 측면도이며,
도 7은 도 6에 대응하는 측면도이며,
도 8은 도 6에 대응하는 평면도이며,
도 9는 저온 CVD 프로세스를 실행하는데 사용되는 환상형 소오스 플라즈마 반응기를 도시하는 도면이며,
도 10은 도 9의 반응기 내에서 수행되는 일반적인 저온 CVD 프로세스를 도시하는 블록 다이어그램이며,
도 11a는 소오스 전력의 함수로서 도 10의 저온 프로세스에서 증착되는 층의 등각을 도시하는 그래프이며,
도 11b는 등각의 정의를 도시하는 증착되는 층 및 고 종횡비 개구의 단면도이며,
도 12는 플라즈마 소오스 전력의 함수로서 CVD 증착 비율을 도시하는 그래프이며,
도 13은 바이어스 전력 레벨의 함수로서 증착되는 층의 응력을 도시하는 그 래프이며,
도 14는 도 1의 프로세스의 실시예를 도시하는 블록 다이어그램이며,
도 15는 도 10의 프로세스의 다른 실시예를 도시하는 블록 다이어그램이며,
도 16은 도 10의 프로세스의 또 다른 실시예의 블록 다이어그램이며,
도 17은 도 15 또는 도 16 중 하나의 프로세스에 의해 형성되는 박막 구조물의 단면도이며,
도 18은 도 15 또는 도 16의 프로세스에서의 웨이퍼 표면 아래 깊이 함수로서 주입된 이온 밀도를 도시하는 그래프이며,
도 19는 도 10의 프로세스의 또 다른 실시예를 도시하는 블록 다이어그램이며,
도 20은 극히 얕은 접합부를 형성하기 위한 프로세스의 블록 다이어그램이며,
도 21은 도 20의 프로세스의 대안 실시예의 블록 다이어그램이며,
도 22는 도 21의 프로세스로 형성되는 박막 구조물의 단면도이며,
도 23a는 도 21의 프로세스로 형성되는 박막 구조물의 단면도이며,
도 23b는 도 23a의 박막 구조물 내 깊이 함수로서 이온 주입 종 농도의 그래프이며,
도 24는 도 20의 프로세스의 대안 실시예의 블록 다이어그램이며,
도 25는 도 24의 프로세스의 시간 함수로서 첨가 가스 유동률의 그래프이며,
도 26은 도 24의 프로세스의 시간 함수로서 RF 웨이퍼 바이어스 전압의 그래 프이며,
도 27은 도 24의 프로세스에 의해 형성되는 박막 필름 구조물의 황단면도이며,
도 28은 도 20의 프로세스의 다른 대안 실시예의 블록 다이어그램이며,
도 29a는 도 24의 프로세스의 시간 함수로서 두 개의 다른 첨가 가스의 비율을 도시하는 도면이며,
도 29b는 도 24의 프로세스의 다른 버젼으로 단일 첨가 가스의 비율을 도시하는 그래프이며,
도 29c는 도 24의 프로세스의 또 다른 버젼의 시간 함수로서 웨이퍼 RF 바이어스 전력을 도시하는 도면이며,
도 30은 도 24의 프로세스에 의해 형성되는 복합 층 증착되는 코팅을 가지는 박막 구조물을 도시하는 도면이며,
도 31은 반도체 웨이퍼 내의 극히 얕은 접합부를 어닐링하기 위한 작동을 도시하는 도면이며,
도 32는 본 발명에 따라 웨이퍼를 처리하기 위한 통합 시스템을 도시하는 도면이며,
도 33은 웨이퍼의 표면 내의 극히 얕은 접합부 형성을 수반하는 모든 단계를 수행하기 위한 통합 시스템을 도시하는 도면이다.
개요:
전술된 모든 문제점들이 환상형 소오스 플라즈마 반응기를 사용하는 저온 PECVD 프로세스로 비정질 탄소 광 흡수 층을 증착함으로써 해결된다. 환상형 소오스는 HDPCVD 반응기 또는 용량성 결합식 PECVD 반응기와 달리, 광범위한 범위의 이온 에너지를 이용하여 작동될 수 있다. 따라서, 적당한 이온 플럭스가 적당한 (또는 높은) 이온 에너지와 함께 유지될 수 있어서, 증착되는 층과 하부 기판 사이의 우수한 결합 또는 박막이 상승된 웨이퍼 온도를 요구하지 않은 채 형성된다. 사실상, 웨이퍼 온도는 (주입 프로세스, 도펀트 클러스터 형성 또는 열 확산 중에 형성되는 비정질 층의 재결정화와 같은 주입되는 극히 얕은 접합부 상의 임의의 충돌을 최소화시키는) 실온만큼 서늘할 수 있다. 결과적으로, 이러한 프로세스에 의해 형성되는 흡수 층은 레이저 비임 노출을 견딜 수 있으며, 웨이퍼로부터 분리 없이 그리고 크래킹 없이 극도의 가열을 견딜 수 있다. 환상형 플라즈마 소오스 반응기가 작동될 수 있는 넓은 바이어스 전력 또는 바이어스 전압 범위는 증착되는 층의 응력을 매우 넓은 범위, 즉 인장에서 압축 응력 레벨까지 선택할 수 있게 한다. 환상형 플라즈마 소오스 반응기가 작동될 수 있는 넓은 소오스 전력 범위는 증착되는 층의 등각이 정확하게 제어될 수 있게 하며, 예를 들어, 매우 양호한 스텝 커버리지를 위한 고도의 등각을 보장한다. 환상형 소오스 플라즈마 반응기는 보다 넓은 범위의 챔버 압력(예를 들어, 10~80 mT)에 걸쳐서 작동될 수 있어서, 이온 밀도 및 플라즈마 시스 충돌성이 보다 넓은 범위에 걸쳐서 제어될 수 있다. 높은 이온 밀도가 요구되지 않기 때문에, 높은 웨이퍼 전압 및 높은 이온 에너지가 상대적으로 작은 양의 바이어스 전력(예를 들어, 300 mm 웨이퍼에 대해 단지 7kW의 바이어스 전력을 갖는 7kV 웨이퍼 전압)으로 유지될 수 있다. 환상형 플라즈마 소오스 반응기는 유도 안테나에서 챔버로 RF 전력을 연결하기 위한 유전체 윈도우를 요구하지 않으며, 따라서 전도성 샤워 헤드는 실링(ceiling)에 위치될 수 있다. 유도 커플링을 위한 유전체 윈도우에 대한 어떠한 요건도 없기 때문에, 실제로 전체 챔버가 금속일 수 있어서 열적으로 제어되어 프로세싱 중에 증착을 조절하며 챔버 표면의 포스트 프로세싱 높은 온도 세정을 촉진시킨다. 환상형 플라즈마 소오스는 낮은 전위를 갖는 플라즈마를 발생시키며, 환상형 플라즈마 전류는 챔버 표면을 통한 어떠한 그라운드 리턴을 요구하지 않으며, 상기 전위는 프로세스 영역으로부터의 표류 전류(drift curent)를 낮게 야기하여, 프로세싱 존의 외측 챔버 표면상에는 증착이 거의 없거나 어떠한 증착도 없다. 환상형 플라즈마 반응기 내의 유전체 윈도우의 임의의 필요성 부족의 다른 이점은 반응기가 챔버 내부 표면상의 비-절연 재료의 축적으로부터 해로운 효과 없이 웨이퍼 상에 비-절연 재료를 증착시키는데 사용될 수 있다.
본 발명은 단일 나이프-에지 광 비임에 시준 및 포커싱된 연속 웨이브(CW) 다이오드 레이저의 어레이를 이용하는 반도체 웨이퍼 내의 극히 얕은 접합부의 동적 표면 어닐링에 관한 것이다. 나이프-에지 광 비임은 매우 강렬하며, 길이를 가로지르는 방향으로 웨이퍼에 걸쳐서 스캐닝된다. 온도는 비임 둘레에 이러한 매우 국부적인 영역 내에서 잠시 상승하며, 임의의 특정 순간에서 가열되는 작은 부피로 인해서 냉각은 극도로 신속하게 진행된다. 이러한 기술은 2003년 10월 23일 Dean C. Jennings 등에 의한 미국 특허 출원 제 2003/0196996 호(이후 공개 특허 A로 언급됨)에 기재되어 있다. 극도로 작은 피쳐 크기(예를 들어, 45nm)에서, 3차원 위상적 피처의 존재로 인해서 웨이퍼를 균일하게 가열하는 것이 어렵다. 이러한 피쳐는 다른 재료를 포함할 수 있거나 다른 광학 특성을 가질 수 있다. 이러한 피쳐는 열 흡수를 비 균일하게 한다. 이는 또한 표면 방사율을 비-균일하게 하여 표면 온도를 정확하게 측정하는 것을 불가능하게 한다.
이러한 문제점들은 전체 웨이퍼에 걸쳐서 광 흡수 층을 증착함으로써 이미 해결되었다(문제점들이 최근에 제거됨). 이러한 흡수 층은 복합 굴절률(n+ik의 "k" 값, 여기서 'n'은 굴절률이며, 'k'는 소광 계수(extinction coefficient)이다)의 높은 허수 성분을 가진다. 충분히 두꺼운 흡수 층은 웨이퍼 상의 하부 필름뿐만 아니라 치수 환상형 피쳐(dimensional topological features)로 인해 방사율 변동을 방해하여, 웨이퍼에 걸쳐서 열 흡수의 균일성 및 개선된 레이저 흡수(뿐만 아니라 표면 방사율의 균일성 및 규모(magniude))를 촉진시킨다. 문제는 하부 층으로부터 필링 또는 분리 없이 광 흡수 층이 동적 표면 (레이저) 어닐링 중에 유지되는 융점에 근접한 온도를 견뎌야만 한다는 점이다. 이러한 필링 및 분리를 방지하기 위해서, 흡수 층과 하부 웨이퍼 피쳐 사이의 우수한 결합이 고온에서 흡수 층을 증착시킴으로써 달성된다. 높은 온도는 양호한 필름 구조, 광학 및 전기적 특성을 제공하는데 기여하기도 한다. 문제점은 웨이퍼 온도가 크래킹, 필링 또는 분리에 영향을 받지 않는 우수한 흡수 층을 달성하기에 충분히 높다면, 웨이퍼 온도는 이미 존재하는 비정질 실리콘 층을 재결정화하는 원하지 않는 효과를 야기하거나 극 히 얕은 접합부를 확산시켜 양호하지 않게 한정하여, 웨이퍼 상의 회로 피쳐를 저하시킨다. 보다 낮은 온도의 통상의 CVD 흡수 층은 상당히 감소한 "k" 값을 가지며, 동일한 순 흡수량(net absorption)을 달성하기 위해서 보다 두꺼운 필름을 필요로 한다.
이러한 문제점은 2004년 10월 14일 공개된 히로지 하나와(Hiroji Hanawa) 등에 의한 미국 특허 출원 제 2004/0200417호(이후 공개 특허 B로 언급됨)의 환상형 플라즈마 소오스 저온 CVD 프로세스를 이용하는 저온 화학 증착 프로세스 내에 흡수 층을 증착시킴으로써 본 발명에 따라 극복된다. 이러한 프로세스는 공개 특허 B에 상세히 기재된 환상형 소오스 플라즈마 반응기를 사용한다. 이러한 프로세스는 300 ℃ 아래 또는 실온만큼 매우 낮은 온도에서 실행된다. 따라서, 웨이퍼상에 이미 형성된 극히 얕은 접합부 피쳐에 미치는 어떠한 나쁜 효과(예를 들어, 열 확산 또는 도펀트 이동, 또는 재 결정화)는 있어도 극히 적거나 없다. 흡수 층이 비정질 탄소가 된다면, 탄소 함유 프로세스 가스가 사용된다. 흡수 층 내에 레이저 비임으로부터의 열의 흡수를 강화시키기 위해서, 증착되는 비정질 탄소 층이 붕소, 인, 비소, 실리콘 또는 게르마늄과 같은 불순물로 도핑됨으로써 보다 불투명해진다. 이는 공개 특허 B에 기재되기도 하는 환상형 소오스 플라즈마 잠입 이온 주입(P3i) 프로세스를 이용하는 이온 주입 단계, 또는 (대안적으로) CVD 저온 증착 프로세스 중에 프로세스 가스 혼합물로 붕소를 도입시킴으로써 수행될 수 있다. 증착되는 비정질 탄소 흡수 층 내측으로의 (질소와 같은) 다른 불순물의 이온 주입이 흡수 층의 굴절률 또는 유전체 상수를 제어하거나 조절하기 위해서, 예를 들어, 높은 유전체 상수를 달성하기 위해서 사용될 수 있다. 이와 달리, (질소, 수소, 산소, 플루오르와 같은) 다른 불순물이 CVD 저온 증착 프로세스 중에 프로세스 가스 혼합물 내에 이들을 포함함으로써 도입될 수 있다.
열 특성, 즉, 동적 표면 레이저 어닐링 단계 중에 필링, 크래킹 또는 분리의 저온 증착되는 흡수 층으로부터의 면제는 증착되는 층을 압축적으로 응력이 형성되는 층으로 형성함으로써 강화된다. 이는 공개 특허 B에 기재된 바와 같은 저온 플라즈마 CVD 프로세스에서 RF 플라즈마 바이어스 전력 또는 바이어스 전압을 상대적으로 높은 레벨로 상승시킴으로써 달성된다. 웨이퍼 상에 이전에 형성된 모든 3-차원 마이크로-회로 피쳐에 걸친 매우 양호한 스텝 커버리지가 상대적으로 높은 등각을 갖추어 흡수 층을 증착시킴으로써 달성된다. 이는 공개 특허 B에 기재된 바와 같은 저온 플라즈마 CVD 프로세스 내에 플라즈마 RF 소오스 전력을 상대적으로 높은 레벨로 조절함으로써 달성된다. 증착되는 필름의 부착은 표면 산화 또는 다른 오염을 제거하기 위해서 세정 프로세스로 웨이퍼를 예비 처리함으로써 강화될 수 있다. 하나의 예비 처리 프로세스는 플라즈마 소오스 전력 또는 바이어스 전력에 의해 발생되는 수소 플라즈마를 이용한다. 바이어스 전압이 세정률을 강화하기 위해서 부가된다. 수소 이온 및/또는 라디칼은 산화물 또는 오염물 박막을 에칭하는 것으로 여기고 있다. 다른 예비 처리 프로세스는 플라즈마 소오스 전력 또는 바이어스 전력에 의해 발생하는 질소 및/또는 산소 플라즈마를 이용한다. 바이어스 전압이 세정률을 강화하기 위해서 부가된다. 질소 및/또는 산소 이온 및/또는 라디칼이 유기 오염물 박막을 에칭하는 것으로 믿고 있다. 이러한 예비 처리 프로 레스가 산화를 제거하기 위해서 수소 플라즈마 예비 처리 프로세스에 수반될 수 있다. 다른 예비 처리 프로세스는 헬륨, 네온, 아르곤 또는 크세논과 같은 불활성 가스 플라즈마를 이용하여 표면 산화 또는 오염을 스퍼터 세정한다. 이와 달리, 습식 예비 처리 프로세스가 필름 증착 이전에 (결합을 강화하기 위해서) 웨이퍼 표면을 세정하는데 이용될 수 있다.
흡수 층 필름 광학 특성이 온도 측정 고온계의 파장 및 레이저 광선 비임의 방사 파장에서 복소 굴절률(complex refractive index)의 높은 흡수 또는 소광 계수 또는 허수부(imaginary part)를 가지기 위해서 프로세스 변수와 조정될 수 있다. 이러한 프로세스 변수는 흡수 층 내의 불순물(예를 들어, 질소) 농도, 흡수 층 내의 도펀트(예를 들어, 붕소), 웨이퍼 온도, 프로세스 가스 압력, (헬륨, 수소 또는 아르곤과 같은 희석 가스, 불순물 함유 가스, C-함유 가스의) 가스 유동률, RF 바이어스 전압 또는 전력, RF 플라즈마 소오스 전력, 프로세스 시간 및 층 두께를 포함할 수 있다. 흡수 층 특성의 부가적인 향상이 층 내의 깊이를 갖는 이러한 불순물의 농도의 등급을 정함으로써 달성될 수 있다. 이는 전술된 P3i 프로세스에 의해 주입되는 이온인 불순물의 주입 깊이 프로파일을 조절하거나, 프로세스 가스 내의 이러한 불순물농도를 램핑(ramping)시키거나, 공개 특허 B에 기재된 저온 CVD 프로세스 중에 RF 플라즈마 소오스 전력 또는 압력 또는 RF 바이어스 전압 또는 압력을 변경함으로써 달성될 수 있다. 흡수 층 특성의 부가적인 향상이 증착되는 흡수 층을 갖는 웨이퍼를 큐어링(curing)함으로써 달성될 수 있다. 큐어링은 열 (온도에서 시간; time at temperature) UV 노출 또는 이의 조합을 포함할 수 있다. 이는 복소 굴절률의 허수부 또는 흡수 또는 소광 계수를 더 증가 또는 안정화시킬 수 있다.
공개 특허 B의 동일한 환상형 소오스 플라즈마 챔버는 공개 특허 B의 저온 CVD 프로세스뿐만 아니라 (공개 특허 B에 기재된 바와 같은) 임의의 P3i 이온 주입 프로세스를 이용하는 흡수 층 증착을 수행하는데 사용될 수 있어서 웨이퍼는 여러 챔버들 사이에서 수송될 필요가 없다. 또한, (레이저 비임 동적 표면 어닐링 (DSA) 프로세스를 수행하는) 공개 특허 A의 프로세스 챔버는 공개 특허 B의 환상형 소오스 플라즈마 반응기를 이용하여 놓이거나 동일한 도구로 통합되는 것이 바람직하여, 웨이퍼는 흡수 층(예를 들어, 비정질 탄소)으로 코팅될 수 있으며, 흡수 층은 선택되는 불순물 및/또는 도펀트의 P3i 이온 주입에 의해 강화될 수 있으며, 웨이퍼는 동일한 도구 내에서 모두 공개 특허 A의 DSA 레이저 광 소오스를 이용하여 어닐링된다. 이는 웨이퍼의 오염 위험을 감소시킨다. 또한, 동일한 환상형 플라즈마 소오스 챔버 또는 (공개 특허 B에 기재된 동일한 형태의) 제 2 (전용) 환상형 소오스 플라즈마 챔버 또는 다른 형태의 플라즈마 챔버가 레이저 어닐링 DSA 프로세스의 완성에 따라 흡수 층을 제거하기 위한 플랫폼(platform) 또는 동일한 도구상에 통합될 수 있다.
완전히 통합된 프로세스는 다음 순서로 소정의 웨이퍼상에 이용되는 하기의 챔버: 극히 얕은 접합(USJ) 소오스/드레인 구조를 형성하기 위해서 도펀트를 주입하기 위한 플라즈마 잠입 이온 주입(P3i) 챔버; USJ 구조 한정 또는 패턴화된 포스트 레지스트 스트립(post resist strip)을 제거하기 위한 레지스트 스트립; 포스 트 레지스트 스트립을 위한 습식 세정 챔버; 비정질 탄소 흡수 층이 형성되는 저온 CVD 프로세스를 수행하기 위한 환상형 소오스 또는 P3i 플라즈마 반응기; DSA 복합 레이저 광 소오스를 포함하는 챔버 및 스캐닝 장치; 흡수 층을 제거하기 위한 탄소 스트립 챔버; 및 웨이퍼의 포스트 스트립 세정을 위한 습식 세정 챔버를 필요로 한다. 두 개 이상 또는 그 보다 많은 전술된 챔버는 웨이퍼 취급을 감소시키고, 오염을 감소시키며 생산성을 증가시키기 위해서 공통의 플랫폼상에 통합될 수 있다.
흡수 층은 다른 적합한 재료가 대신에 선택될 수도 있지만 바람직하게는 비정질 탄소이다. 흡수 층의 레이저 광선 비임의 방사 파장에서 복소 굴절률의 허수부 또는 흡수 또는 소광 계수 및 제품의 필름 두께는 웨이퍼상에 마이크로 회로 구조물 또는 3차원 환상형 피쳐 모두 위에 증착되기에 충분해야만 하며, 하부 재료의 광학 특성이 흡수 층에 의해 요구되는 정도로 마스킹(mask)된다. 흡수 층 열 또는 열 기계식 특성이 선택되어 프로세스의 융점 근접 온도에도 불구하고 DSA 레이저 어닐링 중에 하부 웨이퍼로부터 필링, 크래킹 또는 분리로부터 흡수 층이 영향을 받지 않게 한다.
흡수 층은 웨이퍼 상의 명백한 3차원 표면 환상형 피쳐의 존재에도 레이저 비임으로부터 균일한 흡수를 최대화시킨다. 흡수 층은 양호한 열 전도체이며, 따라서 웨이퍼의 국부적으로 방사된 영역에 걸쳐서 균일한 열 분포를 제공한다. 흡수 층의 균일한 분포는 웨이퍼의 표면 방사율을 균일하게 하여, 웨이퍼 온도의 정확한 측정이 양호한 프로세스 제어를 위해 연속으로 수행될 수 있다.
전술된 바와 같은 흡수 층이 광 흡수의 균일성 또는 규모를 개선하고, 웨이퍼에 걸쳐서 그리고 웨이퍼-대-웨이퍼 온도 변화를 감소시키기 위해서 RTA(신속한 열 어닐링) 또는 "스파이크(spike)" 또는 플래시램프 어닐링과 같은 보다 통상의 어닐링 기술에 사용되는 것이 유리할 수도 있다. 이러한 층은 하부층의 3-D 기하학적 효과를 포함하는 광학 특성에서 변형을 마스킹하기 위해서 이용될 수 있다. 이러한 경우에, 흡수 층 증착/주입은 필라멘트 또는 아크(arc)/가스 방출 광 소오스가 생성시키는 파장의 스펙트럼에 걸쳐서 원하는 광학 특성을 위해 조절된다. 본 발명의 열 흡수 층은 3-차원 마이크로 회로 환상형 피쳐를 가지는 반도체 웨이퍼의 RTA 어닐링에 이용될 수도 있다. 이러한 경우에, 흡수 층 광학 특성이 RTA 광 소오스에 적합하다. 이러한 장치는 SOI(silicon on insulator) 또는 POD(polysilicon-on-dielectric)와 같은 고도로 높은 반사 구조를 포함할 수 있다.
레이저 열 플럭스 어닐링 광 소오스
전술된 동적 표면 어닐링 광 소오스는 얇고 긴 라인의 방사선처럼 웨이퍼에 충돌하는 매우 강한 광선 비임을 생성시키기 위해서 CW 다이오드 레이저를 이용한다. 라인은 긴 치수의 라인 비임에 수직인 방향으로 웨이퍼의 표면을 따라 스캐닝된다. 광 소오스의 일 실시예는 도 1에 개략적인 정사영(orthographic)으로 도시되어 있다. 2-차원 스캐닝을 위한 갠트리 구조(gantry structure; 110)는 한 쌍의 고정된 평형 레일(112, 114)상에 지지되며 규정된 간격(a set distance)으로 떨어져 서로 고정되며, 롤러, 소오스 또는 볼 베어링 상에 고정된 레일(112, 114)을 따라서 슬라이딩되도록 구동 메커니즘 및 도시되지 않은 모터에 의해 제어된다. 비 임 소오스(120)는 갠트리 비임(116, 118)상에서 슬라이딩 가능하게 지지되며, 예를 들어 비임(116, 118) 아래에서 유지되며, 이들을 따라 슬라이딩하도록 도시되지 않은 모터 및 구동 메커니즘에 의해 제어된다. 실리콘 웨이퍼(40) 또는 다른 기판이 갠트리 구조(110) 아래에서 고정되어 지지된다. 비임 소오스(120)는 편리하게 느린 방향(slow direction)으로 지칭되는, 고정된 비임(112, 114)에 대체로 평행하게 연장하는 라인 비임(126)처럼 웨이퍼(40)에 충돌하는 하향 팬-형 비임(fan-shaped beam; 124)을 생성시키기 위해서 광학 및 레이저 광 소오스를 포함한다. 본 명세서에 도시되지 않았지만, 갠트리 구조는 팬형 비임(124)에 대체로 평행한 방향으로 광학 및 레이저 광 소오스를 이동시키기 위한 Z-축 스테이지를 포함하여 소오스(120)와 웨이퍼(40) 사이의 거리를 제어가능하게 변화시켜 웨이퍼(40)상에서의 라인 비임(126)의 포커싱을 제어한다. 라인 비임(126)의 예시적인 치수는 400 kW/㎠의 예시적 전력 밀도를 갖는 100 미크론의 폭과 1 ㎝의 길이를 가진다. 이와 달리, 비임 소오스 및 관련 광학은 웨이퍼가 2 차원으로 스캐닝되는 스테이지에서 지지되는 동안 고정될 수 있다.
통상의 작동에서, 갠트리 비임(116, 118)은 고정된 레일(112, 114)을 따라 특정 위치에 설정되며, 비임 소오스(120)는 갠트리 비임(116, 118)을 따라 균일한 속도로 이동하여 라인 비임(126)을 편리하게 빠른 방향으로 지칭되는 방향으로 긴 치수에 수직으로 스캐닝한다. 따라서, 라인 비임(126)은 웨이퍼(40)의 1㎝ 스웨이쓰(swath)를 조사하기 위해서 웨이퍼(40)의 한 측면에서 다른 측면으로 스캐닝된다. 라인 비임(126)은 라인 비임(126)의 광학 방사선에 잠깐 노출되지만, 웨이퍼 의 특정 영역이 라인 비임의 피크에서의 강도가 표면 영역을 매우 높은 온도로 가열되기에 충분하다. 그러나, 웨이퍼(40)의 가장 깊은 부분은 표면 영역을 신속하게 냉각시키기 위해서 현저하게 가열되지 않으며 히트 싱크(heat sink)로서 더 작용한다. 신속한 스캔이 완성되면, 갠트리 비임(116, 118)이 고정된 레일(112, 114)을 따라서 새로운 위치로 이동되어 라인 비임(126)은 느린 축선(slow axis)을 따라 연장하는 긴 방향을 따라서 이동한다. 빠른 스캐닝은 웨이퍼(40)의 인접 스웨이쓰를 조사하기 위해서 수행된다. 대체의 빠른 그리고 느린 스캐닝(alternating fast and slow scanning)은, 아마 비임 소오스(120)의 서펜타인 경로(serpentine path) 내에서 전체 웨이퍼(40)가 열적으로 프로세싱될 때까지 반복된다. 도 2 및 도 3에 정사영으로 도시된 한 예의 광학 비임 소오스(120)는 두 개의 레이저 바 스택(132)으로부터 약 810 nm에서 레이저 방사선을 수용하며, 상기 레이저 바 스택 중 하나가 도 4에 단면도(end plan view)로 도시되어 있다. 각각의 레이저 바 스택(laser bar stack; 132)은 약 0.9 mm로 분리되며 약 1 ㎝ 측면으로 연정하는 GaAs 반도체 구조에서 수직 p-n 접합에 대체로 대응하는 14개의 평행한 바(134)를 포함한다. 통상적으로, 수 냉각 층이 바(134)들 사이에 배치된다. 각각의 바(134)에는 49개의 이미터(emitter; 136)가 형성되며, 각각 정사영 방향으로 분산각(divergence angle)을 가지는 별도의 GaAs 레이저 방사 개별 비임으로 구성된다. 도시된 바(134)는 느린 축선을 따라 정렬되며 복합 이미터(136)를 넘어 연장하는 긴 치수 및 빠른 축선(fast axis)을 따라 정렬되는 1 미크론 미만의 p-n 공핍 층에 대응하는 짧은 치수를 이용하여 위치된다. 빠른 축선에 따른 작은 소오 스 크기는 빠른 축선에 따라 효과적인 시준(collimation)을 허용한다. 분산각은 빠른 축선을 따라서는 크며 느린 축선을 따라서는 상대적으로 작다.
도 2 및 도 3과 관련하여, 두 개의 열의 원통형 렌즈릿(lenslet; 140)이 레이저 바(134)를 따라서 위치되어 빠른 축선을 따라 좁은 비임으로 레이서 광을 시준한다. 이는 방출 영역(136)을 넘어 연장하도록 바(134)와 함께 정렬되며 레이저 스택(132)상에 부착제를 이용하여 결합될 수 있다. 두 개의 바 스택(132)으로부터 두 세트의 비임이 통상의 광학(142)으로 투입된다. 소오스 비임(158)은 느린 축선을 따라 한정된 수렴각(convergence angle)을 이용하여 1 차원 광 파이프(170)에 유입되기 전에 느린 축선을 따라 소오스 비임(158)을 포커싱하기 위해서 원통형 렌즈(162, 164, 166) 세트를 관통하며, 이는 실질적으로 빠른 축선을 따라 시준된다. 도 5에 더욱 명확히 정사영으로 도시된 광 파이프(170)가 느린 축선상에서 이격된 바 스택(132) 내의 복합 이미터(136)에 의해 도입되는 느린 축선에 따른 비임 구조를 감소시키기 위해서 비임 균일기로서 작용한다. 광 파이프(170)는 전체 내부 반사를 생성시키기 위해서 충분히 높은 굴절률을 가지는 광학 유리의 직사각형 슬래브(172)로서 이행된다. 느린 축선을 따라 짧은 치수를 가지며, 빠른 축선을 따라 긴 치수를 가진다. 슬래브(172)는 슬래브의 최상부 및 바닥 표면으로부터 내부적으로 수시간 반사되는, 투입면(176)상의 느린 축선을 따라 수렴하는 소오스 비임(158)의 축선(174)을 따라 실질적인 거리로 연장하여, 출력면(178)상에서 종료되는 경우에 느린 축선을 따라 비임을 균일화하며 느린 축선에 따른 다수의 조직(texturing)을 제거한다. 그러나, 소오스 비임(158)은 빠른 축선을 따라 양호하 게 시준되며, 슬래브는 소오스 비임(158)이 슬래브(172)의 측면상에 내부적으로 반사되지 않으며 빠른 축선을 따라 시준을 유지하기에 충분히 넓다. 광 파이프(170)는 비임 수렴 및 분산 및 입구 및 출구 개구를 제어하기 위해서 축선 방향을 따라서 경사져야만 한다. 1-차원 광선 파이프는 대안적으로 슬래브(172)의 상부면 및 하부면에 일반적으로 대응하며 이들 사이를 통과하는 소오스 비임을 이용하여 두 개의 평행한 반사 표면으로서 이행될 수 있다.
광 파이프(170)에 의한 소오스 비임 산출은 일반적으로 균일하다. 도 6의 개략적인 도면에 더 도시된 바와 같이, 다른 비균등 렌즈 세트(anamorphic lens set; 180, 182)는 느린 축선으로 산출 비임을 연장하며 웨이퍼(40)의 원하는 라인 비임(126)을 투영하기 위해서 일반적으로 구형 렌즈를 포함한다. 비균등 광학(180)은 제한된 길이의 좁은 라인 비임을 생성하기 위해서 두 개의 치수로 소오스 비임을 형성한다. 빠른 축선 방향에서, 산출 광학은 광 파이프(170)의 산출에서 소오스를 위한 무한 공액(infinite conjugates)을 가지며 (시스템은 유한 소오스 공액으로 디자인될 수 있으며), 웨이퍼(40)의 상 평면에서 유한 공액을 가지지만, 느린 축선의 방향에서 산출 광학은 광 파이프(170)의 산출 소오스에서 유한 공액(finite conjugates)을 가지며 상 평면에서 유한 공액을 가진다. 또한, 느린 축선의 방향에서, 레이저 바의 복합 레이저 다이오드로부터의 방사선은 균일하며, 그렇지 않으면 비-균일하다. 강하게 균일화시키기 위한 광 파이프(170)의 역량은 광선이 광 파이프(170)를 가로질러 반사되는 횟수에 따라서 달라진다. 이러한 횟수는 광 파이프(170)의 길이, 테이퍼의 방향에 의해 결정되며, 만약 있다면, 입구 개 구(176) 및 출구 개구(178) 뿐만 아니라 광 파이프(170)로의 런치 앵글(launch angle)에 의해 결정된다. 또한 비균등 광학은 소오스 비임을 웨이퍼(40)의 표면상에 원하는 치수의 라인 비임으로 포커싱한다.
도 7 및 도 8은 광 파이프(170) 및 일부 관련 광학을 개별적으로 도시하는 빠른 그리고 느린 축선들을 따라서 수직으로 배열된 측면도이다. 빠른 축선의 방향에서, 레이저 바(132)로부터의 비임은 광 파이프(170) 또는 비균등 광학에 의해 영향을 받지 않으며 잘 시준된다. 반면에, 느린 축선 방향에서, 입력 비균등 광학(162, 164, 166)은 광 파이프(170)의 입력 단부로 비임을 수렴하며 모은다. 비임은 느린 축선을 따라서 실질적으로 균일한 강도를 갖지만 실질적인 분산 상태로 광 파이프(170)를 이탈한다. 산출 비균등 광학(180, 182)은 느린 축선을 따라서 산출 비임을 시준하며 연장시킨다.
피크 웨이퍼 온도를 조절 및 제어하기 위해서, 웨이퍼(40)의 방사된 부분의 온도가 고온측정 시스템(pyrometry system)에 의해 빈번하게 측정된다. 고온측정 시스템은 웨이퍼 상의 레이저 소오스 광을, 도 3에 개략적으로 도시된 고온측정기(161)에 역 방향으로 라인 비임(126)의 근처에 웨이퍼(40)의 방사된 영역으로부터 방출되는 직접 열 방사선에 포커싱하기 위해서 이용되는 동일한 광학을 이용한다. 고온측정기(161)는 포토다이오드와 같은 광학 탐지기(163) 및, 레이저 광 소오스(예를 들어, 810 nm)의 파장을 막는 광학 필터(165)를 포함한다. 고온측정 필터(165)는 중요한 온도에서 신속하게 변하는 플랑크 흑체 방사선 곡선의 영역에서 중심이 형성된 좁은 통과대역 필터(passband filter)이다. 예를 들어, 고온측정 통과대역은 탐지기(163)가 실리콘 포토다이오드인 경우에, 950 nm에서 중심이 형성될 수 있다. 광학은 일반적으로, 호혜적이며 역 방향으로 라인 비임(126) 상에 또는 매우 인접한 작은 영역만 탐지하며, 보다 큰 영역에 상을 광학적으로 연장시킨다. 탐지기(163)의 산출이 레이저 어레이(132)의 전력을 제어하기 위해서 제어기(167)에 의해 이용된다. 필터(도시되지 않음)는 고온계에서 파장(예를 들어, 950 nm)을 가질 수 있는 임의의 방출을 방지하기 위해서 레이저 어레이(132)의 정면에 위치될 수 있다.
하기에 기재되는 본 발명의 피쳐가 다른 레이저 형태; CO2 가스-레이저; 선택적으로 두 배 주파수일 수 있는 네오듐 YAG 레이저(네오듐: 이트륨-알루미늄-가닛); E-beam 또는 전자 방출에 의한 여기 상태의 (분자의 전자 전이에 작용하는 자외선(126 내지 558 nm)으로 방출하는 희 가스 할로겐화물 또는 희 가스 금속 증기 레이저, 이의 바닥 상태가 본질적으로 반발력을 가질 수 있음)엑시머 레이저; 다이오드 레이저(간섭성 광 산출을 형성하기 위해서 방출을 고무시키도록 이용하기 위해서 디자인된 광 방출 다이오드)를 이용할 수 있다.
환상형 소오스 플라즈마 반응기의 저온 CVD 프로세스
도 9는 저온 CVD 프로세스가 실행되는 환상형 소오스 플라즈마 반응기를 도시하고 있다. 플라즈마 반응기는 원통형 측벽(10), 실링(12) 및 웨이퍼 접촉 냉각 정전 척(14)을 가진다. 펌핑 고리(16)는 척(14)과 측벽(10) 사이에 형성된다. 프로세스 가스는 실링(12)의 대부분을 형성하는 가스 분배 판(18)(또는 "샤워헤드")를 통해 도입된다. 선택적으로, 프로세스 가스는 측면 주입 노즐(20) 또는 다른 수단을 통해 유입될 수도 있다. 도 9의 반응기는 측벽(10)의 대향 측면(또는, 도 1에 도시되지 않은 실링(12) 내의 개구)을 통해 반응기의 내부에 연결되는 외부 재진입 관(reentrant tube; 22)으로 구성되는 재진입 RF 환상형 플라즈마 소오스를 가진다. 절연 링(23)은 재입구 관(22)을 따라 직류 차단(D.C break)을 제공한다. 환상형 플라즈마 소오스는 재입구 관(22)의 환형 부분을 에워싸는 자기적으로 투과성 환상형 코어(26)를 포함할 수 있는 RF 전력 어플리케이터(24)를 더 포함하며, 전도성 코일(28)은 선택적 임피던스 부합 회로(32)를 통해 전도성 코일에 연결되는 RF 플라즈마 소오스 전력 발생기(30) 및 코어(26)의 일부분 둘레를 감는다. 제 1 관(22)을 가로지르는 제 2 외부 재입구 관(22')은 측벽(10)의 대향 측면(또는 도 1에 도시되지 않은 실링(12) 내의 개구)을 통해 반응기의 내부에 연결된다. 절연 링(23')은 제 2 재입구 관(22')을 따라 직류 차단을 제공한다. 제 2 RF 전력 어플리케이터(24')는 재입구 관(22')의 환형 부분을 에워싸는 자기적으로 투과성 환상형 코어(26')를 포함하며, 전도성 코일(28')은 선택적 임피던스 부합 회로(32)를 통해 전도성 코일에 연결되는 RF 플라즈마 소오스 전력 발생기(30') 및 코어(26')의 일부분 둘레를 감는다. 프로세스 가스 공급원(34)이 가스 분배 판(18)(또는 가스 주입기(20))에 연결된다. 반도체 웨이퍼 또는 피가공재(40)가 척(14)의 최상부상에 위치된다. 프로세싱 영역(42)이 (가스 분배 판(18)을 포함하는) 실링(12)과 웨이퍼(40) 사이에 한정된다. 환상형 플라즈마 전류는 재입구 관(22) 및 프로세싱 영역(42)을 통해 연장하는 폐쇄된 환상형 경로를 따라 RF 플라즈마 소오스 전력 발생기(30)의 주파수에서 진동한다.
RF 바이어스 전력 또는 전압이 임피던스 부합 회로(46)를 통해 RF 바이어스 전력 발생기(44)에 의해 척(14)에 인가된다. A.D.C 척 전압이 격리 캐패시터(50)에 의해 RF 바이어스 전력 발생기(44)로부터 격리되는 척 전압 소오스(48)로부터 척(14)에 인가된다. RF 바이어스 전력 발생기(44)로부터 웨이퍼(40)에 전달되는 RF 전력은 웨이퍼를 400℃ 보다 높은 온도로 가열할 수 있으며, 이는 발생기(44)로부터 인가된 RF 플라즈마 바이어스 전력의 레벨 및 지속기간에 따라 달라지며, 냉각되는 웨이퍼가 사용되지 않는 경우에 그러하다. 바이어스 전력 발생기(44)로부터 약 80% 또는 그 이상의 RF 전력이 웨이퍼(40) 내에서 열로서 분사되는 것으로 믿고 있다. 웨이퍼 지지 받침대(14)가 단열 또는 반-단열 최상부 층 또는 퍽(puck; 60)을 가지는 정전 척이다. 퍽(60)의 내부의 금속 층(62) 또는 금속(예를 들어, 몰리브덴) 철망은 D.C. 척 전압 및 RF 바이어스 전압이 가해지는 캐소드(또는 전극)을 형성한다. 퍽(60)은 고도로 단열 층(66)상에 놓이는 금속 층(64)상에 지지된다. 금속 베이스 층(68)은 바닥에 연결될 수도 있다. 웨이퍼(40)는 척 전압 소오스(48)로부터 전극(62)까지 D.C. 전압을 인가함으로써 척(14)상에서 정전형으로 유지된다. 이는 웨이퍼(40)의 바닥 표면 내에 대향(opposite)(인력; attractive)상 전하를 유도한다. 두 개의 대향 전하들 사이의 효과적인 갭은 반 절연체 층(60) 내의 사향 전하 이동의 결과로서 최소이며, 웨이퍼(40)와 척 사이의 인력은 상대적으로 작게 인가된 척 전압에 대해서 매우 크다. 따라서, 퍽 반 절연체 층(60)은 원하는 전하 이동도를 가지는 재료로 형성되어 재료가 완벽한 졀연체는 아니다. RF 바이어스 전력 발생기(44)로부터의 전압 또는 RF 바이어스 전력이 전극(62)에 가해질 수 있거나, 또는 대안적으로 반 절연체 퍽 층(60)을 통해 RF 커플링을 위한 금속 층(64)에 가해질 수 있다. 금속 층(64)을 냉각시킴으로써 퍽(60)으로부터 열이 제거된다. 이러한 이유로 내부 냉각제 통로(70)가 히트 싱크 또는 냉각 소오스(74) 및 냉각제 펌프(72)에 연결되는 금속 층(64) 내에 제공된다. 웨이퍼(40)와 퍽(60) 사이의 매우 높은 열 전달 계수가 매우 높은 척력을 유지함으로써 실현된다. 상기 척력은 연마된 표면(60a)을 제공함으로써 강화될 수 있다.
저온 화학 기상 증착 프로세스는 웨이퍼 온도를 원하는 레벨로 또는 한계치 미만으로 유지하기 위해서 열을 제거(또는 제공)하며 웨이퍼에 RF 바이어스 전력 또는 전압을 연결시키는 작용을 하는 정전 웨이퍼 척을 사용하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게, 정전 척은 도 9를 참조하여 이미 기재된 형태이며, "GASLESS HIGH VOLTAGE HIGH CONTACT-COOLING ELECTROSTATIC CHUCK"의 명칭으로 Douglas A. Buchberger, jr 등에 의해 2004년 8월 26일 출원된 미국 특허 제 10/929,104 호에 보다 상세히 기재되어 있다. (높은 열 전달 계수를 갖는) 전술된 정전 척의 이용은 보다 높은 레벨(즉, 환상형 소오스 당 5kW)에서 소오스 전력을 작동시키며, 웨이퍼 온도를 200℃ 미만, 또는 심지어 원하면 100℃ 미만으로 유지하면서 보다 높은 레벨(즉, 10 kW)에서 바이어스 전력을 작동시킨다. 게다가, 챔버 압력은 높은 웨이퍼 온도를 필요로 하지 않은 채 결함이 있는(예를 들어, 조각나는(flaky)) 것을 방지하기 위해서 충분히 낮은 약 5 내지 200 mtorr의 범위로 유지된다. 낮은 챔버 압려은 피가공재를 가열하지 않은 채 우수한 필름을 증착하기 위해서 요구되는 것 미만의 플라즈마 이온 밀도 및/또는 이온 에너지를 저하시킬 수 있는 과도한 이온 재결합을 방지한다. 프로세스 영역 내의 적당한 플라즈마 이온 밀도의 유지는 웨이퍼의 임의의 가열을 위한 필요성을 제거하여 우수한 CVD 필름은 PECVD 반응기와 달리 (100℃ 미만의) 매우 낮은 저온에서 증착될 수 있다. 플라즈마 밀도가 매우 높지 않고 플라즈마 소오스 전력 레벨이 높을 필요가 없는 사실은 HDPCVD 반응기와 달리 과도한 바이어스 전력 레벨을 필요로 하지 않은 채 바이어스 전력의 광범위한 작동 범위을 허용한다.
CVD 반응은 낮은 소오스 전력 레벨에서 환상형 소오스 반응기 내에서 실행될 수 있으며, 원하면 소오스 전력이 최소 레벨에서 최대 레벨(예를 들어, 환상형 소오스당 약 5 kW)까지 변할 수 있는 넓은 윈도우를 포함한다. 이러한 윈도우는 비등각(0.1 등각 비율)과 등각(>0.5 등각 비율) 사이의 CVD 증착된 층의 등각을 변형하기 위해서 충분히 크다. 동시에, CVD 증착되는 층의 응력 레벨은 증착되는 층의 압축 응력에 대한 높은 레벨(예를 들어, 3 kWatts 또는 그 보다 높음) 및 증착되는 층에서의 인장 응력에 대한 낮은 레벨(예를 들어, 500 Watts) 사이의 웨이퍼에 인가되는 플라즈마 바이어스 전력 또는 전압을 변형함으로써 변할 수 있다. 결과적으로, 각각의 플라즈마 CVD 증착되는 층의 등각 및 응력은 인장 또는 압축 응력 중 하나를 가지며 등각 또는 비등각 중 하나인 여러 층에 소오스 및 바이어스 전력 레벨을 조절함으로써 독립적으로 조절된다. 비등각 필름은 포토레지스트 위에 제거가능한 층을 생성하기 위해서 그리고 깊은 트렌치 충전을 위해서 유용하다. 등각 층이 식각 정지 층 및 패시베이션 층(passivation layer)을 위해 유용하다. 압축 응력을 갖는 층은 하부 또는 인접한 P-채널 MOSFETs 내의 캐리어 이동도를 강화시 키지만, 인장 응력을 갖는 층은 하부 또는 인접 N-채널 MOSFETs 내의 캐리어 이동도를 강화시킨다. 상기 반응기가 소오스 전력으로서 제공하는 고도로 제거가능한 플라즈마 이온 밀도 및 도 9의 환상형 소오스 플라즈마 반응기의 낮은 최소 플라즈마 소오스 전력은 유일한 반응기 구조의 환상형 소오스 플라즈마 반응기로부터 증가한다. 플라즈마 소오스 전력은 환상형 RF 플라즈마 전류가 순환(진동)하여 전력 어플리케이터를 재입구 외부 도관에 인가된다. 이러한 특징은 (유도 커플링에서 전이가 발생하는 경우) HDPCVD 플라즈마 반응기에 비해서 웨이퍼 표면에서 플라즈마 이온 밀도를 고도로 제어가능하게 하며, 플라즈마 소오스 전력과 함게 과도하게 증가하는데 영향을 받지 않는다. 또한, 외부 재입구 도관 내에 공저 가스에 대한 RF 소오스 전력 어플리케이터의 고도로 효율적인 커플링은 (HDPCVD 반응기와 같은) 통상의 반응기보다 훨씬 작은 플라즈마 점화를 위해 최소 플라즈마 소오스 전력을 형성한다. 낮은 온도 CVD 프로세스는 소자 구조를 파괴하지 않고 임의의 상당한 시간 동안 소자 온도가 400℃를 초과하는 (예를 들어) 65 nm 또는 45 nm 또는 그보다 작은 소자를 위한 플라즈마 CVD 프로세스를 제공하는 문제를 해결한다. 하부 포토레지스트를 분열 또는 파괴하지 않고 포토레지스트 층위에 플라즈마 CVD 증착을 허용하기도 한다. 이는 소자상의 포토레지스트 마스킹을 파괴하지 않은 채 실행될 수 있으며 nm 크기 디자인 규칙에 특히 적합한 이후 기재되는 완전히 새로운 종류의 프로세스를 개시한다.
포스트 CVD 이온 주입 프로세스가 저온 CVD 프로세스를 수행하는데 이용되는 동일한 환상형 소오스 반응기에서 실행될 수 있다. 포스트 CVD 이온 주입 프로세 스는 화학양론적 비율을 넘어 CVD 층 내에 종의 비율을 증가시키고, 플라즈마 CVD 프로세스와 양립할 수 없는 종을 CVD 층 내측으로 주입시키거나 또는 유전체 상수 또는 응력과 같은, 층의 특정 재료 질을 변경하는 종을 CVD 층 내측으로 주입시키기 위해서 비정질 또는 다결정 CVD 증착되는 층과 이의 베이스 층 사이에 부착성을 강화시키기 위한 프로세스를 포함한다.
저온 플라즈마 CVD 프로세스는 실리콘 필름, 실리콘 질화물 필름, 실리콘 수소 필름, 실리콘-질소-수소 필름, 및 산소 또는 플루오르를 더 포함하는 전술된 필름의 버전의 CVD 형성을 위해 유용하다. 필름은 CVD 프로세스가 실행되는 매우 낮은 온도에도 불구하고 크래킹, 필링, 플레이킹(flaking) 등이 없는 매우 양호한 품질 및 열적 특성을 나타낸다. CMOS 소자에 대한 응용예에 있어서, 패시베이션 층은 선택적인 식각을 할 수 있는 높은 비등각 및 포토레지스트 마스킹 및 제거를 이용하여 압축 및 인장 응력을 개별적으로 갖는 P-및 N 채널 소자위에 증착되며, 제로(중립) 응려을 갖는 식각 정지 층은 높은 등각을 갖는 모든 소자 위에 증착될 수 있다. 저온 플라즈마 CVD 프로세스가 탄소 필름의 CVD 형성에 유용할 수도 있다.
도 9의 환상형 반응기를 이용하는 저온 플라즈마 CVD 프로세스가 도 10에 도시되어 있다. 이러한 프로세스에서, 탄소 또는 탄소 함유 층이 환상형 플라즈마 화학 기상 증착 프로세스에서 증착된다. 증착되는 층은 비정질 탄소 재료, 폴리머 탄소 재료, 또는 흑연 탄소 재료의 일부 특성, 예를 들어, 프로세스가 어떻게 실행되는지에 따라서 좌우되는 광범위한 범위의 전기 및 광학 특성들을 가진다. 본 명 세서의 후반 부분에서, 증착되는 재료 특성의 프로세스 제어가 기재될 것이다. 선택적인 제 1 단계(도 10의 블록 6105)는 웨이퍼 상의 금속 오염을 방지 또는 최소화하기 위해서 패시베이션 층을 이용하여 챔버의 내부 표면을 코팅하는 것이다. 패시베이션 층은 예를 들어, 증착될 CVD 필름과 동일한 재료(예를 들어, 탄소 함유 재료)로 형성된다. 챔버 내부 표면상의 패시베이션 코팅은 전술된 실시예에서와 같이, 적합한 프로세스 가스 혼합물(예를 들어, 프로필렌과 같은 탄소 함유 가스)을 도입하고, 환상형 RF 전류를 발생시키기 위해서 플라즈마 소오스 전력을 인가함에 따라서 실행된다. 이러한 단계는 재료 두께의 패시베이션 재료가 챔버 표면 내부에 증착될 때까지 실행된다. 생산 피가공재 및 반도체 웨이퍼는 (도 10의 블록 6107) 웨이퍼 지지 받침대상에 위치된다. 프로세스 가스가 탄소 및 (선택적으로) 예를 들어, 수소, 또는 질소와 같은 다른 종을 함유하여 도입된다(블록 6109). 챔버 압려이 약 5 내지 약 200 mTorr의 낮거나 적합한 레벨에서 유지된다(도 10의 블록 6111). 재입구 환상형 플라즈마 전류가 환상형 소오스 반응기 내에서 발생한다(블록 6113). 환상형 플라즈마 전류가 각각의 재 입구 외부 도관(22, 22') 내측으로 RF 플라즈마 소오스 전력을 커플링함으로써(예를 들어, 100 Watts 내지 5 kW)(도 10의 블록 6113-1) 그리고 0 내지 10 kWatts 사이의 RF 플라즈마 바이어스 전력을 인가함으로써(도 10의 블록 6113-2) 생성된다. 바이어스 전력은 소정의 양의 바이어스 전력을 위한 상대적으로 큰 플라즈마 시스 전압을 생성하기 위해서 매우 효과적인 MHz(예를 들어, 2 MHz와 같음)에 속하는 LF 주파수에서 바람직하다. RF 발생기(180)에 의해 전달되는 소오스 전력의 규모는 원하는 등각을 이용하여 웨 이퍼상에 필름을 화학 기상 증착에 의해 증착시키도록 조절된다(블록 6115). RF 발생기(162)에 의해 전달되는 바이어스 전력 또는 전압의 규모는 증착되는 필름이 원하는 응력, 압축 또는 인장을 갖도록 조절된다(도 10의 블록 6117). 전술된 프로세스는 원하는 증착된 필름 두께에 도달할 때까지 실행된다. 이 후, 특정 선택적 포스트-CVD 이온 주입 프로세스가 수행될 수 있다(도 10의 블록 6119).
도 11a는 인가된 RF 소오스 전력(수평 축)의 함수로서 증착되는 층의 등각 비율(수직 축)의 그래프이다. 도 11b에 도시된 바와 같이, (베이스 층(6123)의 수직면(6123a)상에 증착되는) 기판(6123)상 또는 베이스 층상에 CVD 프로세스에 의해 층(6121)의 (베이스 층(6123)의 수평 섹션(6123B)상에 증착되는) 수평 섹션(6121b)의 두께(D)로 증착되는 층(6121)의 등각 비율이 층(6121)의 수직 섹션(6121a)의 두께(C)의 비율(C/D)이다. 0.5를 초과하는 등각 비율은 고도의 등각 CVD 증착되는 필름을 나타낸다. 약 0.1의 등각 비율은 비등각 CVD 증착되는 필름을 나타낸다. 도 11a는 도 9의 환상형 소오스 반응기의 광범위한 소오스 전력 윈도우가 (약 100 Watts 소오스 전력에서의) 등각에서 (약 1 kW 소오스 전력에서의) 고도의 등각의 등각 비율 범위를 어떻게 걸치는지를 나타낸다. 도 11a는 등각 및 비등각 필름 모두의 플라즈마 CVD 증착을 위해 이용될 수 있음을 보여주고 있다. 도 12는 인가된 소오스 전력(수평 축)의 함수로서 CVD 증착률(수직 축)을 나타내는 그래프이다. 제로에서 100 Watts의 RF 전력 소오스에서, 어떠한 플라즈마도 도 9의 환상형 소오스 반응기 내에서 점화되지 않으며, 증착률은 제로이다. 약 2 MHz에서 약 5 kV의 일정한 바이어스 전압을 이용하여 약 13.56 MHz에서 약 100 Watts의 소오스 전력을 개시하여, 증착율이 (100 Watta 소오스 전력에서) 분당 약 500Å에서 시작하여 (약 2 kW의 소오스 전력에서) 분당 약 1000 Å에 도달한다. 증착률이 충분히 낮아서 우수하며 결점이 없는 CVD 필름이 형성되며 이는 임의의 가열 또는 어닐링이 없이 결점을 큐어링할 수 있으며, 그렇지 않으면 높은 증착률(예를 들어 분당 5,000Å)을 형성할 수 있다. 따라서, 환상형 플라즈마 반응기(도 9)의 소오스 전력이 웨이퍼의 가열을 필요로 하지 않은 채 비등각과 등각 사이의 등각 비율을 전환하는데 필요한 범위 내(예를 들어, 200 Watts 에서 2 kW) 어디서든지 변할 수 있어서, 웨이퍼는 낮은 프로세싱 온도, 즉 200 미만 심지어 100℃에서 유지될 수 있다. 환상형 플라즈마 반응기 소오스 전력이 과도한 CVD 증착률을 야기하지 않고(고도의 등각을 달성하기 위해서) 매우 증가될 수 있다는 사실이 웨이퍼(120)에 걸친 프로세스 영역 내의 이온 밀도의 과도한 증가를 방지하는 환상형 소오스 반응기 구조로부터 수반된다. 이러한 과도한 이온 밀도가 일부분 방지되며, 이는 각각의 플라즈마 소오스 전력 어플리케이터(즉, 개별적 재입구 관(22, 22')을 에워싸는 각각의 코어 26, 26' 및 이에 대응하는 주요 와인딩(winding; 28, 28'))가 측벽(10) 및 실링(12)에 의해 규정되는 반응기 챔버의 외부이며, 웨이퍼(40)에 걸친 프로세스 영역(42)로부터 멀리 떨어진 재입구 관(22, 22')의 섹션에 플라즈마 소오스 전력을 인가하기 때문이다. 다행히, 도 9의 환상형 플라즈마 반응기의 전력 소오스를 이용하는 플라즈마 이온 밀도의 고도로 제어가능한 증가는 전체 등각 범위를 전체 등각 범위에 걸치는 넓은 소오스 전력 윈도우를 야기하는 플라즈마 점화(예를 들어, 100 와트)를 위해 매우 낮은 최소 소오스 전력에 의해 수반된다. 플라즈마 점화를 위한 이러한 최소 소오소 전력 레벨은 도 9의 환상형 소오스 반응기가 13.65 ㎒와 같은 HF 주파수에서 환상형 RF 플라즈마 전류를 발생시키는 효율적인 방식의 결과이다.
도 9의 환상형 플라즈마 반응기의 다른 특징은 반응기가 (예를 들어, 0에서 10 kV까지) 작동될 수 있는 광범위한 범위의 RF 플라즈마 바이어스(시스; sheath) 전압이다. 특징의 일 양상은 도 13의 그래프에 도시되며: 바이어스 전압 작동 범위(도 13의 수평 축)는 인장 응력(+ 1 기가파스칼)에서 압축 응력(-1 기가 파스칼)까지 CVD 증착되는 필름 내의 응력의 범위(도 13의 그래프의 수직 축)에 이른다. 이러한 포스트 CVD 이온 주입 처리가 본 명세서 후반에 기재될 것이다. 넓은 범위의 RF 바이어스(시스) 전압이 2 ㎒ RF 소오스와 같은 저 주파수(LF) 플라즈마 바이어스 소오스를 이용함으로써 달성된다. 이러한 저 주파수는 균형잡인 보다 높은 시스 전압을 이용하여 웨이퍼의 표면 위에서 플라즈마 시스에 걸쳐 높은 임피던스로 변한다. 따라서, 상대적으로 소량의 플라즈마 바이어스 전력(5 kW)은 웨이퍼 표면에서 매우 큰 시스 전압(10 kV)을 생성할 수 있다. 이러한 상대적으로 낮은 바이어스 전력 레벨은 웨이퍼상의 열 부하(heating load)를 감소시키며, 웨이퍼 지지 받침대상의 열 부하 및 전기장 부하를 감소시킨다. 물론, 도 9의 환상형 소오스 반응기는 플라즈마를 점화 또는 유지하기 위해서 이러한 큰 시스 전압을 필요로하지 않지만, 바이어스 전력은 5kW 미만 0까지, 원하면 플라즈마를 소멸시키지 않고 매우 양호하게 감소될 수 있다. 도 11a에 도시된 (비등각과 고도의 등각 사이의) 등각 선택 및 (인장과 압축 사이의) 응력 선택이 도 9의 환상형 소오스 반응기 의 매우 넓은 소오스 전력 및 바이어스 전력 작동 윈도우를 독립적으로 이용하여 수행된다. 결과적으로, 도 9의 환상형 소오스 반응기는 다른 층들이 응력의 다른 선택(인장, 0, 또는 압축) 및 등각 비율의 다른 선택(비등각 또는 고도의 등각)을 이용하여 증착될 수 있는 도 10의 저온 CVD 프로세스를 수행한다.
도 14는 첨가 종이 프로세스 가스 내의 전구체 가스를 포함함으로써 증착되는 층 내에 포함되는 도 10의 프로세스의 변형을 도시하고 있다. 제 1 단계는 탄소 재료 전구체 가스(예를 들어, 탄화수소, 플루오르화탄소 또는 플루오르-탄화수소 또는 다른 탄소 함유 가스)를 챔버 내측으로 도입시키는 것이다_(도 14의 블록 6132). 이러한 프로세스 가스는 환상형 플라즈마 CVD 프로세스가 반드시 예를 들어, 불활성 가스와 같은, 증착되는 (탄소) 층으로 첨가되지 않고 개선되는 종을 포함할 수도 있다. (CVD 증착되는 탄소 층 내에 포함될) 원하는 첨가 종의 전구체 가스가 챔버 내측으로 도입된다(도 14의 블록 6133). 예를 들어, 첨가 종은 붕소(B2H6) 전구체, 또는 질소 또는 수소 또는 황(H2S) 또는 다른 원하는 종일 수 있다. 또한 첨가 종 전구체 가스는 CVD 증착되는 탄소 층 내의 함유물을 위해 두 개(또는 그 이상)의 다른 첨가 종을 위해 전구체 가스를 포함할 수 있다. 그 다음, 환상형 플라즈마 CVD 프로세스가 도 10의 단계(6111, 6113), 및 (선택적으로)(6115, 6117)를 수행함으로써 챔버 내에서 실행된다(블록 6134). 탄소 전구체 가스 및 첨가(예를 들어, 붕소) 전구체 가스의 비교 가스 유동률이 CVD 증착되는 탄소 층 내의 첨가 종의 비율을 결정할 것이다. 도 15는 환상형 플라즈마 CVD 프로세스가 시작되기 전에 탄소 재료 전구체 가스만 처음 도입되는(블록 6132) 도 14 의 프로세스의 변형을 도시하고 있다(블록 6135). 환상형 플라즈마 CVD 프로세스가 원하는 한계 두께로 첨가 종이 결여된 탄소 층을 증착하기 위해서 충분한 시간 동안 첨가 종 전구체 가스 없이 실행된다(블록 6135). 프로세스의 이러한 시점에서, 첨가 종 전구체 가스는 증착되는 탄소 함유 층의 잔여(상부) 부분이 첨가 종을 포함하도록 환상형 CVD 프로세스를 지속하면서, 챔버 내측으로 도입된다(6136).
도 16은 블록(6119)의 포스트 CVD 웨이퍼 처리 단계가 이온 주입 단계인 도 10 프로세스의 다른 변형을 도시하고 있다. 도 16의 프로세스에서, 탄소 재료 전구체 프로세스 가스가 챔버 내측으로 도입되며(블록 6132), 환상형 플라즈마 CVD 프로세스가 웨이퍼 상에서 실행된다. 그 후, 원하는 종이 CVD 증착되는 탄소 함유 층 내측으로 주입되는 웨이퍼상에서 수행된다(블록 6137). 원하는 종이 CVD 증착되는 탄소 함유 층 내의 특정 원하는 특성을 생성시키기 위해서 화학적으로 작용하는 (붕소와 같은) (하나 또는 그 이상의) 첨가 종일 수 있다. 원하는 종은 (불활성 종과 같은) 이온 충돌 종일 수 있으며, 이는 이온 충돌 손상에 의해 CVD 증착되는 탄소 함유 층의 특성을 변형시킨다. 임의의 경우에, 주입되는 종의 이온 주입 깊이 프로파일이 CVD 증착되는 탄소 함유 층 내의 주입되는 종을 제한하도록 설정된다. 예를 들어, 이온 주입 깊이 프로파일 또는 분포는 CVD 증착되는 탄소 함유 층 내의 중간(예를 들어, 중앙)에 또는 인접하게 설정된 피크 값을 가질 수 있다. 또는 첨가 종을 함유하는 맨위 탄소 층(overlying carbon layer)을 갖는 베이스 층(또는 실리콘 웨이퍼 표면)과 접촉하는 첨가제 없는 탄소 층을 가지는 것이 바람직하며, 이온 주입 프로파일은 CVD 탄소 함유 층 내의 상부 깊이에서 중심에 있을 수 있어서 이온 주입은 한계치 깊이보다 낮게 발생하지 않거나 거의 발생하지 않는다. 이러한 후반 선택의 결과가 도 17에 도시되어 있으며, 한계치 두께를 가지며, 첨가 종이 없는 바닥 탄소 함유 층(6139), 하부 층(6140), 및 첨가 종을 포함하는 맨위 탄소 함유 층(6138)을 도시하고 있다. 도 17의 층형 구조물은 도 15의 2-단계 환상형 플라즈마 CVD 프로세스로 실현되기도 한다. 도 18은 도 16의 블록 단계(6137)를 위한 이온 주입 깊이 프로파일을 도시하고 있다. 본질적으로 이온 주입이 하부 표면(예를 들어, 웨이퍼) 위를 훨씬 넘는 깊이로 제한된다. 이는 도 18에 도시된 바와 같이, 바닥 표면으로부터 떨어진 이온 분포 피크를 이동시킴으로써 바닥 탄소 함유 층(도 17의 층(6139))을 비 주입되게 함으로써 (선택적으로) 달성될 수 있다.
도 19는 도 14, 15 또는 16의 환상형 플라즈마 CVD 프로세스 전 또는 후에 수행될 수 있는, 챔버 스트립(strip) 또는 세정 단계(6141), 및 챔버 시즈닝(chamber seasoning) CVD 증착 단계(6142)를 도입함으로써 변경될 수 있다. 도 19에서, 스트립 및 시즈닝 단계가 환상형 플라즈마 CVD 프로세스 이전에 수행되는 것으로 도시되어 있다. 첫 째, 도 9의 반응 챔버 내측으로의 웨이퍼의 도입 이전에 프로세스 가스가 노출되는 챔버 내부 표면으로부터 증착되는 필름을 제거할 수 있는 종을 포함하는 챔버 내측으로 도입된다(도 19의 블록 6141). 도 14, 15 및 도 16의 프로세스에서, 내부 챔버 표면상에 증착되는 재료는 주로 탄소로 구성되어, 블록(6141) 단계에서 이용되는 세정 또는 스트립 프로세스 가스가 예를 들어, 주로 산소로 구성될 수 있다. 다른 또는 첨가 세정 가스 종은 예를 들어 플루오르 를 포함할 수 있다. 그 후,스트립 또는 세정 프로세스 가스가 챔버로부터 제거되며, 시즈닝 층이 도 9의 반응기의 노출되는 내부 챔버 표면상에 증착된다(도 19의 블록 6142). 블록(6142) 단계가 전술된 동일한 환상형 플라즈마 CVD 프로세스를 이용하여 실행된다. 특히, 탄소 전구체 가스가 챔버 내측으로 시즈닝 층 전구체로서 도입된다. 이는 노출되는 챔버 내부 표면상에 CVD 증착되는 탄소 함유 시즈닝 층을 생성시킨다. 시즈닝 층의 경도 및 내구성을 강화시키는 것이 바람직하다면, 플루오르가 시즈닝 층 전구체 가스의 종으로서 포함될 수 있다. 예를 들어, 시즈닝 층 전구체 가스는 플루오르탄소 가스 또는 플루오로-탄화수소 가스를 포함할 수 있다. 시즈닝 층 전구체 가스의 주요 성분은 탄화수소 가스일 수 있다. 시즈닝 층이 내부 챔버 표면 상에 원하는 두께에 도달한 후에, 웨이퍼가 챔버 내측으로 도입되며(도 19의 블록(6143), 도 10, 14, 15 또는 도 16의 환상형 플라즈마 CVD 프로세스가 실행된다(도 19의 블록 6144).
환상형 소오스 CVD 프로세스에 의한 탄소 필름의 증착
본 발명은 전도성 또는 복합 유전율과 같은 특정 전기적 특성(예를 들어, 광학 특성이 특히 중요하지 않은 응용예에서) 또는 특정 광학 특성(적외선 및 가시광선 파장, 즉 "광" 파장)의 탄소계 필름과 같은 필름을 증착하는데 유용할 수 있다. 이러한 필름의 전기 및 광 특성들이 특정 요구를 만족시키기 위해서 조절된다. 본 발명은 증착되는 탄소계 필름 층의 후속적인 제거시 편의성(strippability)이 실리콘 또는 다른 하부 층에 대한 선택성을 요구하는 탄소계 필름과 같은 필름을 증착하기 위해서 유용할 수도 있다. 본 발명은 등각 제어가 공백없는 갭 충진 응용예 를 위해 필요한 탄소계 필름과 같은 필름을 증착하는데 유용할 수도 있다. 본 발명은 응력 제어가 필요한 탄소계 필름과 같은 필름을 증착하는데 유용할 수도 있다. 탄화-수소 필름:
여러 전기 및 광 특성의 탄소 필름은 도 1의 환상형 플라즈마 소오스 반응기를 이용하여 웨이퍼상에 증착될 수 있다. 프로세스 가스가 도 1의 가스 분배 판(18)을 통해 (또는 측면 노즐(20)을 통해) 도입된다. 프로세스 가스는 본 명세서 도입부에 열거된 하나(또는 그 이상)의 탄화 수소 가스로부터 선택된 탄화수소 가스일 수 있다. 이러한 가스로부터 챔버 내에서 발생되는 RF 환상형 플라즈마 전류가 웨이퍼의 표면상에 증착될 수소 함유 탄소 재료를 야기한다. 필름은 미량의 수소 원자만을 갖는 본질적으로 순수한 탄소일 수 있다. 그러나 일반적으로 결합되는 수소 원자의 비율이 상당하여 증착되는 재료가 수소화된 탄소이다. 증착되는 필름의 전기적 전도성은 절연과 반도체 사이의 범위 내에서 설정될 수 있다. 선택되는 파장 대역에 대한 증착되는 층의 광 특성이 고도의 흡수 또는 투과성 사이의 범위 내에서 설정될 수 있다. 유전율은 낮은 범위에서 높은 범위 내의 규모를 갖는 "실수(real)"(즉 "실수" 성분에 대해 소량의 "허수(imaginary)" 성분을 가지는)이도록 선택될 수 있다. 유전율은 낮은 범위에서 높은 범위 내의 규모를 가지는 "실수" 성분에 대해 상당한 "허수" 성분을 가지도록 선택될 수 있다. 이러한 전기 및 광 특성들이 다음 작용
(1) 웨이퍼 표면에서 이온 충돌 에너지를 조절하는 작용,
(2) 웨이퍼 온도를 조절하는 작용,
(3) 프로세스 가스의 탄화-수소 가스 종을 선택하는 작용(가스의 탄화-수소 가스 비율을 선택하는 작용),
(4) 수소를 이용하여 프로세스 가스를 희석시키는 작용,
(5) 헬륨, 네온, 아르곤 또는 크세논과 같은 불활성 가스를 이용하여 프로세스 가스를 희석시키는 작용,
(6) 웨이퍼 표면에 대해 탄소 함유 라디칼 종의 플럭스 대한 웨이퍼 표면에서 에너지 이온(탄소 함유 또른 다른 이온)의 플럭스를 조절하는 작용,
(7) (a) 반-도체성-강화 종, (b) 저항성 강화 종 중 하나의 프로세스 가스 전구체 첨가 가스를 부가하는 작용;
(8) (a) 반도체성 강화 종, (b) 저항성 강화 종 중 하나의 증착되는 탄소 층을 주입시키는 작용의 일부 또는 모두의 조합 또는 임의의 하나의 작용에 의해 제어될 수 있다.
웨이퍼 표면에서 이온 충돌 에너지의 조절이 RF 바이어스 전력, RF 바이어스 전압 또는 웨이퍼 전압, 및/또는 챔버 압력에 의해 수행될 수 있지만, 웨이퍼 표면에서 에너제틱 이온(energetic ion)의 플럭스 조절은 RF 플라즈마 소오스 전력 및/또는 챔버 압력 및/또는 희석 가스 유동에 의해 수행될 수 있다.
에너제틱 이온 플럭스 조절: 일정한 바이어스 전압 및 일정한 압력에서, RF 플라즈마 소오스 전력을 증가시키면 웨이퍼 표면에서 에너제틱 이온의 플럭스가 증가한다. 또한, 웨이퍼 표면에서 라디칼 플럭스가 소오스 전력으로 증가한다. 그러나, 적당한 압력(즉, 수백 mtorr에 이르는 mtorr) 보다 낮은 압력에서, 웨이퍼에 서 라디칼 플럭스에 대한 에너제틱 이온 플럭스의 비율이 통상적으로 증가할 것이다(그러나 이는 1(unity)보다 훨씬 적다). 일정한 바이어스 전압에서 RF 플라즈마 소오스 전력을 증가시키면서, 압력을 감소시키는 것은 웨이퍼에서 라디칼 플럭스에 대한 고 이온 플럭스의 비율을 더 증가시킨다. 일정한 소오스 전력 및 바이어스 전압에서, 아르곤 또는 크세논을 이용하여 프로세스 가스를 희석시키는 것은 웨이퍼 표면에서 에너제틱 이온의 플럭스를 증가시키는 경향이 있지만, 헬륨 또는 네온을 이용하여 희석시키는 것은 웨이퍼 표면에서 에너제틱 이온의 플럭스를 감소시키는 경향이 있다. 프로세스 가스 유동률에 대한 희석 가스 유동률의 비율이 증가함에 따라 효과가 강화된다. 적당한 압력(즉, 수백 mtorr에 이르는 mtorr)보다 낮은 압력에서, 일정한 RF 플라즈마 소오스 전력 및 바이어스 전압을 증가시키면 웨이퍼 표면에서 에너제틱 이온의 플럭스가 증가한다.
이온 에너지 조절: 일정한 RF 플라즈마 소오스 전력에서, RF 바이어스 전력 또는 전압을 증가시키면, 웨이퍼 표면에서 이온 충돌 에너지가 증가한다. 일정한 RF 플라즈마 소오스 전력 및 RF 바이어스 전압에서, 적당한 압력(즉, 수백 mtorr에 이르는 mtorr)보다 낮은 압력에서, 압력이 증가하면, 이온 에너지가 감소하며, 끝까지 이러한 효과가 반드시 큰 것만은 아니다. 일정한 RF 플라즈마 소오스 전력 및 RF 바이어스 전력에서 그리고 적당한 압력(즉, 수백 mtorr에 이르는 mtorr) 보다 낮은 압력에서, 압력을 증가시키면 이온 에너지가 보다 큰 효과를 갖추어 감소하며, 이는 (일정한 바이어스 전력에서) 바이어스 전압이 보다 높은 플라즈마 이온 및 전자 밀도의 로딩 효과로 인해 감소하기 때문이다.
(가스의 탄화수소 비율을 선택하는) 프로세스 가스의 탄화수소 가스 종을 선택하는 것은 증착되는 재료의 광학 및 전기적 특성에 영향을 미친다. 가스의 탄화수소 비율을 감소시키는 것은 통상적으로 C:H 결합을 감소시키며, C:C 결합을 증가시키며, 이는 광 흡수를 증가시키며(투과성를 감소시키며) 그리고 전기 전도성을 증가시킨다. 또한, "실수" 성분에 대한 유전율의 "허수" 성분을 증가시키는 경향이 있다. 예를 들어, C3H6은 CH4보다 큰 광 흡수 및/또는 전기 전도성을 갖는 증착되는 층을 생성할 수 있으며, C4H6은 C3H6보다 큰 광 흡수 및/또는 전기 전도성을 갖는 증착되는 층을 제공할 수 있다. 수소를 이용하여 프로세스 가스(들)를 희석하는 것은 증착되는 재료의 강 특성 및 전기적 특성에 영향을 미칠 수 있다. 수소를 희석하는 것은 통상적으로 C:H 결합을 감소시키며 C:C 결합을 증가시키며, 이는 광 흡수를 증가시키며(투과성을 감소시키며) 그리고 전기 전도성을 증가시킨다. "실수" 성분에 대한 유전율의 "허수" 성분을 증가시키는 경향도 있다. 증착되는 탄소 재료의 강 흡수를 조절하기 위한 전술된 단계 이외에도, 광 흡수는 붕소, 질소 또는 황과 같은 증착되는 재료 내에 특정 첨가 재료를 포함함으로써 강화될 수 있다. 임의의 이러한 재료들이 B2H6, N2 또는 H2S와 같은 전구체 가스들을 프로세스 가스 내에 각각 포함함으로써 첨가될 수 있다. 붕소, 질소 또는 황과 같은 재료를 프로세스 가스에 첨가하는 것은 실질적으로, 증착되는 탄소 재료의 열 안정성을 개선하여 실패 없이 고온(>1400℃)으로 신속하게 가열되게 한다.
재료 첨가는 증착되는 재료의 광 흡수, 열적 안정성, 및/또는 전기 전도성 및/또는 유전율을 강화시킬 수 있다. 첨가 가스 내의 붕소, 질소 또는 황에 대한 수소의 비율은 증착되는 층의 특성에 영향을 미친다. 통상적으로, 가스의 수소 대 다른 원소 비율을 감소시키는 것은 통상적으로 C:H 결합을 감소시키며 C:C 결합을 증가시키며, 이는 광 흡수를 증가시키며 (투과성을 감소시키며) 그리고 전기 전도성을 증가시킨다. "실수" 성분에 대한 유전율의 "허수" 성분을 증가시키는 경향도 있다. 보다 높은 광 흡수 또는 전기 전도성을 위해서, (B2H6과 비교해서) B5H9 또는 (NH3와 비교해서) N2는 고도로 흡수 또는 전도성을 증가시킬 수 있다. B2H6은 통상적으로 안전성 이유에 대한 보다 높은 반응으로 인해 (가스 보틀 내에서) 희석되어야만 하며, 헬륨, 아르곤, 수소 또는 질소를 이용하여 상용으로 입수가능하게 희석된다. 수소 희석된 B2H6은 통상적으로 헬륨 희석되는 B2H6보다 광 흡수 및 전기 전도성의 보다 큰 향상을 제공한다. 아르곤 희석되는 B2H6는 헬륨 또는 수소 희석되는 B2H6보다 훨씬 큰 광 흡수 및 전기 전도성을 제공할 수 있다. 질소 희석되는 B2H6는 헬륨 또는 수소 희석되는 B2H6보다 큰 광 흡수 및 전기 전도성의 향상을 제공할 수도 있으며, 전술된 바와 같은 상승적인 이익을 제공할 수 있다. B5H9는 희석물을 요구하지 않으며, B2H6 보다 높은 B 대 H 비율을 가져서 헬륨 또는 수소 희석되는 B2H6보다 큰 광 흡수 및 전기 전도성의 향상을 제공할 수 있다. 전도성을 증가시키는 전술된 인자들은 "실수" 성분에 대한 유전율의 "허수" 성분을 증가시키는 경향도 있다. 이와 달리, 전술된 포스트 CVD 이온 주입 단계는 증착되는 탄소 층으로 종을 주입시킴으로써 흡수 향상 종(B,N 또는 S)중 어느 하나로 수행될 수 있다. 포스트 CVD 주입 단계가 예를 들어, 도 1의 환상형 플라즈마 소오스 반응기를 이용하여 플라즈마 잠입 이온 주입에 의해 실행된다면, 동일한 프로세스 가 스가 (B2H6, N2 또는 H2S)로서 사용될 수 있다.
염기성의 비정질 탄소 전구체 탄화수소 가스(즉, C3H6)에 (a) 붕소(즉, B2H6)에 (b) N2 또는 다른 형태의 질소를 첨가하는 상승 이익이 있다. 증착되는 탄소 층의 열적 안정성(즉, 열 특성)이 450℃에서 개선됨 특히 보다 높은 온도에서 개선된다. 특히 증착되는 비정질 탄소 층은 증착되는 층의 박리(delamination), 또는 필링 등 없이 실리콘의 적어도 융점에서 레이저 가열될 수 있다. (붕소 및 질소를 첨가하는) 이러한 특징은 박리 또는 필링을 방지하기 위해서 통상적으로 필요한 한계 이온 에너지 또는 한계 웨이퍼 전압을 실제로 감소시킨다. 탄화수소 가스 내의 붕소 및 질소 첨가제를 결합하는 열적 특성, 증착되는 층을 개선하기 위한 전술된 특징들이 전술된 방식으로 제어되는 특정 전기적 특성을 가지는 비정질 탄소 층을 증착하는 경우에 사용될 수 있다. 광 흡수재가 아니며 탄소 층을 증착하기 위해서 사용될 수도 있다. 증착되는 탄소 층 특성의 조절이: (1) 탄소 층 내의 결합 수소 원자의 비율, 즉 증착되는 탄소 층 내의 총 원자 결합으로부터의 C:H 결합의 비율 및 (2) C:C 사슬(chains)의 길이 및 (3) 탄소 원자의 결합 혼성화 및 상이한 결합의 상대적인 농도 즉, sp3:sp2:sp1를 기본으로 하는 것으로 믿고 있다. 웨이퍼 표면에서 이온 에너지를 증가시키고 웨이퍼 표면에서 에너제틱 이온 플럭스를 증가시키고 웨이퍼 온도를 증가시키는 것은 (1)(보다 짧은 사슬을 생성시키도록) 보다 많은 C:C 사슬을 끊는 단계 및 (2) (이의 존재를 감소시키도록) 보다 많은 C:H 결합을 끊고 C:C 결합을 형성하는 단계 및 (3) 탄소 원자의 결합 혼성화 및 상이한 결합의 상대적인 농도 즉, sp3:sp2:sp1를 변경하는 단계의 효과를 가질 수 있는 것으로 더 믿고 있다. 반응 챔버 내의 프로세스 가스 내 수소 함량을 감소시킴으로써, 증착되는 탄소 층 내에 형성되는 C:H 결합의 수가 감소한다.
C:C 사슬의 길이 감소는 연질 폴리머(soft polymer)로부터 경질의 비정질 탄소(hard amorphous carbon)로 증착되는 재료의 상태를 변경시킨다. 증착되는 탄소 층 내의 C:H 결합의 수의 감소로, 전기 전도성이 상대적으로 절연성에서 반도체성으로 변하면서, 광학 특성은 상대적으로 투과성에서 불투과성으로 변한다. 따라서, 환상형 플라즈마 CVD 프로세스에서, 증착되는 탄소 층의 전기 전도성은 절연성과 반도체성 사이의 범위 어디에서든 설정될 수 있으면서, 광학 특성은 투과성과 불투과성 사이의 범위 어디에서든 설정될 수 있다.
이온 충돌에 의한 C:C 결합 및/또는 C:H 결합 분리(breaking)의 감소는 매우 높은 이온 에너지(예를 들어, 약 100 eV에서 1 keV)를 필요로 할 수 있다. (긴 폴리머 사슬을 갖는) 폴리머 탄소는 낮은 (100℃ 미만) 웨이퍼 온도에서 형성되려는 경향이 있다. 폴리머 사슬의 길이는 낮은 웨이퍼 온도에서 조차 이온 충돌에 의해 감소한다. 이와 달리, 웨이퍼 온도는 C:C 사슬 길이를 짧게 유지하기 위해서 (예를 들어, 400℃에서) 환상형 플라즈마 CVD 프로세스 중에 증가할 수 있다. (높은 RF Q바이어스 전력을 필요로 하는) 증착되는 탄소 층의 광학 및 전기적 특성을 변경하는데 필요한 매우 높은 이온 에너지는 증착되는 탄소 층과 하부 재료 사이의 우수한 원자 결합을 형성함으로써, 웨이퍼 상에 이전에 형성되는 박막 구조 또는 하부 웨이퍼에 탄소 층의 부착을 강화하는 효과를 가진다. 증착되는 탄소 층 내에 압축 응려을 발생시킴으로써, 열 응력(예를 들어, 매우 높은 온도)에 의해 유도되는 기계적 고장 또는 분리에 대한 증착되는 필름의 저항을 강화시키기도 한다. 필름의 기계 강도를 강화시키기도 한다. 높은 바이어스 전압(즉, >1 kV)을 인가하는 단계는 실질적으로, 증착되는 탄소 재료의 열 안정성을 개선시켜, 고장 없이 높은 온도(>1400℃)로 신속하게 가열된다. 환상형 플라즈마 CVD 프로세스 중에 웨이퍼를 가열시키는 것 이외에, 증착되는 층의 광 흡수를 강화하기 위한 부가적인 방법은 CVD 프로세스의 완성 후에 약 400℃로 웨이퍼를 가열하는 것이다. 이러한 단계가 증착되는 탄소 층 내의 C:C 결합을 더 형성하며 C:H 결합을 분리하며, 탄소 원자의 결합 혼성화 및 상이한 결합의 상대적인 농도 즉, sp3:sp2:sp1를 변경하는 동일한 메카니즘에 의해 광 흡수를 강화시키는 것으로 믿고 있다.
탄화 수소 전구체 가스에 불활성 희석 가스를 첨가하는 것은 필름의 전기 및 광학 특성을 변경시킬 수 있다. 예를 들어, 헬륨 또는 네온을 첨가하는 것은 필름을 보다 투과성 (및 보다 절연성)있게 형성하지만, 아르곤 및 크세논은 필름을 보다 불투과성 (및 보다 반도체성)있게 형성한다. 일정한 RF 소오스 전력 및 RF 바이어스 전압에 있어서, 헬륨 첨가는 이온 플럭스를 감소시키지만, 아르곤 또는 크세논 첨가는 이온 플럭스를 증가시키는 것으로 믿고 있다. 에너제틱 이온 플럭스를 증가시키는 것은 필름의 전기 저항 및 광 투과성을 감소시키는 경향이 있다. 전도성을 증가시키는 전술된 요소는 "실수" 성분에 대한 유전율의 "허수" 성분을 증가시키는 경향이 있다. 일정한 RF 소오스 전력에서, RF 바이어스 전압을 증가시키는 것은 웨이퍼 상의 이온 충돌의 이온 에너지를 증가시키며, 필름의 광 투과성 및 전기 저항을 감소시키는 경향이 있다. "실수" 성분에 대한 유전율의 "허수" 성분을 증가시키는 경향도 있다. 일정한 RF 바이어스 전압에서 RF 소오스 전력을 증가시키는 것은 웨이퍼 표면의 에너제틱 이온 플럭스를 증가시키며, 필름의 고아 투과성 및 전기 저항을 감소시키는 경향이 있다. "실수" 성분에 대한 유전율의 "허수" 성분을 증가시키는 경향도 있다. 일정한 RF 소오스 전력 및 RF 바이어스 전압에서 가스 압력을 증가시키는 것은 웨이퍼 표면에서 에너제틱 이온 플럭스를 증가시키며, 필름의 광 투과성 및 전기 저항을 감소시키는 경향이 있다, "실수" 성분에 대한 유전율의 "허수" 성분을 증가시키는 경향도 있다.
증착되는 탄소 층의 등각이 RF 플라즈마 소오스 전력을 조절함으로써 조절된다. 소오스 전력을 조절함으로써 증착되는 층 등각을 조절하는 것은 본 명세서에 전술되어 있다. 증착되는 탄소 층의 응력은 RF 플라즈마 바이어스 전력을 조절함으로써 조절된다. 바이어스 전력을 조절함으로써 증착되는 층 응력을 조절하는 것은 본 명세서에 전술되어 있다.
플루오르 탄소 필름
본 명세서 서두에 언급되는 플루오르 탄소 가스들 중 어느 하나로부터 선택되는 플루오르 탄소 프로세스 가스가 웨이퍼 상에 플루오르 함유 탄소 층을 증착시키기 위해서, 탄화 수소 가스 대신에 CVD 프로세스 가스로서 사용될 수 있다. 이러한 층은 넓은 대역의 파장에 걸쳐서 투과성이 있을 수 있다. 플루오르 함유 탄 소 층은 매우 낮은 유전체 상수가 증착되는 탄소 층 내에서 바람직한 경우에 유용하다. 투과성 탄소 층이 바람직한 경우에도 유용하다. 고도로 절연성 탄소 필름이 바람직한 경우에도 유용하다. "실수" 성분에 대한 작은 "허수" 성분을 가지는 보다 낮은 유전율이 바람직한 경우에도 유용하다. 플루오르 탄소 필름을 위해서, 바람직한 플루오르탄소 가스는 C4F6 및 C3F6이다. 다른 플루오르탄소 가스는 C2F4, C2F6, C3F8, C4F8 및 C5F8이다. 프로세스는 플르오르 탄화수소 필름을 증착하는데 이용될 수 있다. 플루오르 탄화수소 필름을 위해서, CH2F2와 같은 플루오르 탄화수소 가스가 이용될 수 있다. 이와 달리, 프로세스는 적합한 탄화수소 및 플루오르 탄화수소 가스의 조합이 프로세스 가스로서 사용되는 경우에, 탄화수소 및 플루오르탄소 재료의 조합인 필름을 증착하는데 이용될 수 있다. 이러한 플루오르 함유 필름은 비정질 또는 폴리머일 수 있다. 이러한 플루오르 함유 필름은 플루오르 함량에 따라 달라지는 투과성의 경향이 있다. 이러한 필름은 플루오르 함량에 따라 달라지는 매우 낮은 유전체 상수를 가질 수 있다. 플루오르탄소(또는 플루오르 탄화수소) 및 탄화수소를 함유하는 필름은 상대적인 수소 및 플루오르 함량에 따라 달라지는 투과성 및 흡수성 사이에서 변할 수 있다.
플루오르 함유 탄소 층의 특성은 탄소 필름 내의 F:C 결합의 형태 및 특성을 제어하고, 탄소-탄소 사슬의 길이를 제어함으로써, 수소 함유 탄소 층을 위해 전술된 바와 유사한 방식으로 제어될 수 있다. 특성은 다음의 작요ㅇ:
(1) 웨이퍼 표면에서 이온 충돌 에너지를 조절하는 작용,
(2) 웨이퍼 온도를 조절하는 작용,
(3) 프로세스 가스의 플루오르 탄소 가스 종을 선택하는 작용,
(4) 플루오르를 이용하여 프로세스 가스를 희석시키는 작용,
(5) 헬륨, 네온, 아르곤 또는 크세논과 같은 불활성 가스를 이용하여 프로세스 가스를 희석시키는 작용,
(6) 웨이퍼 표면에 대해 탄소 함유 라디칼 종의 플럭스에 대한 웨이퍼 표면에서 에너제틱 이온(탄소 함유 또른 다른 이온)의 플럭스를 조절하는 작용,
(7) (a) 반-도체성-강화 종, (b) 저항 강화 종 중 어느 하나의 프로세스 가스 전구체 첨가 가스를 부가하는 작용;
(8) (a) 반도체성 강화 종, (b) 저항 강화 종 중 어느 하나의 증착되는 탄소 층 내에 주입시키는 작용의 일부 또는 모두의 조합 또는 임의의 하나의 작용에 의해 제어될 수 있다.
웨이퍼 표면에서 이온 충돌 에너지의 조절이 RF 바이어스 전력, RF 바이어스 전압 또는 웨이퍼 전압, 및/또는 챔버 압력에 의해 수행될 수 있지만, 웨이퍼 표면에서 에너제틱 이온의 플럭스 조절은 RF 플라즈마 소오스 전력 및/또는 챔버 압력 및/또는 희석 가스 유동에 의해 수행될 수 있다.
에너제틱 이온 플럭스 조절: 일정한 바이어스 전압 및 일정한 압력에서, RF 플라즈마 소오스 전력을 증가시키면 웨이퍼 표면에서 에너제틱 이온의 플럭스가 증가한다. 웨이퍼 표면에서 라디칼 플럭스가 소오스 전력을 이용하여 증가하기도 한다. 그러나, 적당한 압력(즉, 수백 mtorr에 이르는 mtorr) 보다 낮은 압력에서, 웨이퍼에서 라디칼 플럭스에 대한 에너제틱 이온 플럭스의 비율이 통상적으로 증가 한다(그러나 , 일정한 바이어스 전압에서 RF 플라즈마 소오스 전력을 증가시키면서, 압력을 감소시키는 것은 웨이퍼에서 라디칼 플럭스에 대한 고 이온 플럭스의 비율을 더 증가시킨다. 일정한 소오스 전력 및 바이어스 전압에서, 아르곤 또는 크세논을 이용하여 프로세스 가스를 희석시키는 것은 웨이퍼 표면에서 에너제틱 이온의 플럭스를 증가시키는 경향이 있지만, 헬륨 또는 네온을 이용하여 희석시키는 것은 웨이퍼 표면에서 에너제틱 이온의 플럭스를 감소시키는 경향이 있다. 프로세스 가스 유동률에 대한 희석 가스 유동률의 비율이 증가함에 따라 효과가 강화된다. 적당한 압력(즉, 수백 mtorr에 이르는 mtorr)보다 낮은 압력에서, 일정한 RF 플라즈마 소오스 전력 및 바이어스 전압을 증가시키면 웨이퍼 표면에서 에너제틱 이온의 플럭스가 증가한다.
이온 에너지 조절: 일정한 RF 플라즈마 소오스 전력에서, RF 바이어스 전력 또는 전압을 증가시키면, 웨이퍼 표면에서 이온 충돌 에너지가 증가한다. 일정한 RF 플라즈마 소오스 전력 및 RF 바이어스 전압 및 적당한 압력(즉, 수백 mtorr에 이르는 mtorr)보다 낮은 압력에서 압력이 증가하면 이온 에너지가 감소하며, 끝까지 이러한 효과가 반드시 큰 것만은 아니다. 일정한 RF 플라즈마 소오스 전력 및 RF 바이어스 전력에서 그리고 적당한 압력(즉, 수백 mtorr에 이르는 mtorr) 보다 낮은 압력에서, 압력을 증가시키면 이온 에너지가 보다 큰 효과를 갖추어 감소하며, 이는 (일정한 바이어스 전력에서) 바이어스 전압이 보다 높은 플라즈마 이온 및 전자 밀도의 로딩 효과로 인해 감소하기 때문이다. 증착되는 플루오르 탄소 층의 등각은 RF 플라즈마 소오스 전력을 조절함으로써 조절된다. 소오스 전력을 조 절함으로써 증착되는 층 등각을 조절하는 것은 본 명세서에 전술되어 있다. 증착되는 플루오르 탄소 층의 응력은 RF 플라즈마 바이어스 전력을 조절함으로써 조절된다. 바이어스 전력을 조절함으로써 증착되는 층 응력을 조절하는 것은 본 명세서에 전술되어 있다.
플루오르 탄소 가스 및 탄화 수소 가스의 조합은 플루오르 및 수소를 바람직한 비율로 모두 함유하는 탄소 층을 형성하도록 프로세스 가스로서 이용될 수 있다. 이러한 비율이 증착되는 탄소 층 내의 원하는 흡수 또는 전도성을 달성하기 위해서 이용될 수 있다. 개별 C:F 및 C:H 증착되는 재료 내의 C:H 및 C:F 결합의 비율을 조절하기 위해 직접 전술된 동일한 방법이 C:F + C:H 조합 증착되는 탄소 재료 내의 C:H 및 C:F 결합의 비율을 제어하는데 이용될 수 있다. 수소 및 플루오르를 모두 함유하는 탄소 층은 환상형 소오스를 이용하는 플라즈마 프로세스 내의 탄화수소 가스에 플루오르를 함유하는 비 플르오르탄소 가스를 첨가함으로써 형성될 수도 있다. 예를 들어, F2 또는 BF3 또는 SiF4 또는 NF3는 탄화수소 가스에 첨가될 수 있다. 반대로, 수소 및 플루오르를 모두 함유하는 탄소 층은 환상형 소오스를 이용하는 플라즈마 프로세스에서 플루오르탄소 가스에 수소를 함유하는 비 탄화수소 가스를 첨가함으로써 형성될 수도 있다. 예를 들어, H2 또는 B2H6 또는 SiH4 또는 NH3가 플루오르탄소 가스에 첨가될 수 있다.
광 흡수 층의 저온 증착:
비정질 탄소 층(ACL)일 수 있는 광 흡수 층(OAL)이 전술된 환상형 플라즈마 소오스 저온 CVD 프로세스를 이용하여 증착된다. 챔버에 도입되는 프로세스 가스 는 탄소 전구체 가스이며, OAL이 ACL인 경우에 그러하다. 중요한 파장(예를 들어, 810 nm)에서 비정질 탄소 재료 내의 흡수가 탄소에 불순물 재료를 첨가함으로써 강화될 수 있음을 발견하였다. 비정질 탄소를 810 nm에서 불투명하게 하는 이러한 불순물 재료의 한 예가 붕소이다. 이러한 경우에, 프로세스 가스는 (예를 들어) 프로필렌과 같은 탄소 전구체 가스 및 (B2H6와 같은) 붕소 전구체 가스 및 수소와 같은, B2H6을 위한 희석 가스로 구성된다. 헬륨이 희석가스로서 이용될 수 있지만, 비정질 탄소 층의 광 본질이 수소의 존재하에서 최적으로 강화될 수 있음을 발견하였다.
도 20은 도 1~8 광 소오스의 동적 표면 어닐(DSA) 프로세스와 같은 고속 광 어닐링 단계에 의해 수반되는 광 흡수 층(OAL)을 형성하기 위해서 도 9의 환상형 플라즈마 소오스 반응기의 저온 CVD 단계를 포함하는 접합 형성 프로세스의 블록선도이다. 제 1 단계(도 20의 블록(205))는 결정질 실리콘과 같은 반도체 재료로 도펀트 불순물을 주입시키는 것이다. 65 nm보다 작은 소자 기하학 구조를 위해서, 이러한 도펀트 이온 주입 단계는 극히 얕은 접합을 형성하며, 상기 접합에서 도펀트 주입되는 영역은 몇백 Å보다 더 연장되지는 않는다. 도펀트 주입 단계(205)는 통상의 비임 라인 주입장치(implanter)로 실행될 수 있으며, 또는 보다 바람직하게, 2004년 10월 14일 공개된 히로지 하나와(Hiroji Hanawa) 등에 의한 미국 특허 출원 번호 제 2004/0200417 호에 기재된 바와 같은 환상형 소오스 반응기의 형태를 이용하여 실행될 수 있다. 다음 단계(도 20의 블록(210)가 웨이퍼 위에 광 흡수 층을 형성하기 위해서 도 9의 환상형 플라즈마 소오스 반응기 내에 저온 화학 기상 증착 프로세스로 실행된다. 블록(201)의 CVD 프로세스는 다음 단계로 구성된다. 첫 째, 웨이퍼가 도 9의 반응기의 정전 척상에 위치된다(블록(211). 프로세스 가스가 반응기 챔버 내측으로 도입된다(블록 212). 프로세스 가스가 OAL의 재료를 위한 전구체로 구성된다. 예를 들어, OAL이 비정질 탄소이면, 프로세스 가스는 탄소를 위한 전구체( 또는 이를 포함할 수 있다)이다. 이러한 탄소 전구체 가스는 본 명세서의 서두에 전술되어 있으며, 메탄, 아세틸렌, 에틸렌, 에탄, 프로필렌, 프로판, 에틸-아세틸렌, 1,3-부타디엔, 1-부텐, n-부탄, 펜탄, 헥산, 톨루엔, 메틸 벤젠 또는 1-부틴, 또는 다른 적합한 탄소 전구체를 포함하는, 본 명세서의 서두에 기재된 탄소 함유 가스 중 어느 하나(또는 조합)일 수 있다. 다음 단계(블록 213)에서, RF 플라즈마 소오스 전력이 도 9의 재입구 관(22, 22') 내에 환상형 플라즈마 전류를 발생시키기 위해서 RF 발생기(30, 30')에 의해 인가된다. 척 전압이 웨이퍼를 클램핑시키기 위해서 정전 척에 인가되어 웨이퍼와 정전 척 사이의 열적 커플링(thermal coupling)을 제공한다. 발전기(30, 30')의 RF 소오스 전력 레벨은 증착되는 필름의 원하는 등각을 달성하도록 설정된다 (블록 214). RF 바이어스 전압이 발전기에 의해 RF 발전기(44)에 의해 인가되며, 이의 전압 또는 전압 레벨이 증착되는 층 내에 원하는 응력을 달성하기 위해서 조절된다(도 20의 블록 215). 이러한 단계에서, 증착되는 층의 밀도가 증착되는 층 내의 압력 응력을 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 이는 도 13과 관련한 본 명세서의 서두에 기재된 바와 같은, 바이어스 전력 도는 전압에서의 증가를 필요로 한다. 바람직하게, 부가적인 가스가 챔버 내측으로 도입되며, 증착되는 OAL 내에 포함되는 경우에 OAL의 광 특 성을 강화시키는, 종을 위한 전구체이다(블록 216). 통상적으로, 이러한 광 특성은 DSA 광 소오스의 파장(예를 들어, 810 nm)에서 흡수 또는 불투과성을 가진다. OAL이 비정질 탄소라면, 종을 강화시키는 것은 붕소, 예를 들어, 질소, 수소 또는 본 명세서 서두에 언급된 다른 예이다. 증착 프로세스 단계가 완성된 후에, 통상적으로 척 전압을 제로(zero) 또는 디척 전압(dechucking voltage)으로 설정함으로써 웨이퍼가 디척킹되며(dechucked), 리프트 핀이 정전 척으로부터 웨이퍼를 상승시키며, 그 후 RF 소오스 및/또는 바이어스 전력이 차단된다.
흡수 강화 단계 블록(216)은 적당히 고온(예를 들어, 450℃)에서 (약 몇 초 또는 1분의 몇 분의 일 동안) 매우 잠시 동안 웨이퍼를 가열하는 것으로 구성될 수 있다(블록 216a). OAL의 증착 후에 별도의 반응기 내에서 실행될 수 있는 이러한 가열 단계는 일부 프로세스 예에서 약 .3 내지 .36으로 광학 k 값(소광 계수)을 증가시킬 수 있다. OAL은 약 0.25 미크론 내지 약 1 미크론 사이의 두께로 증착될 수 있다. 블록(210)의 OAL 증착 프로세스가 완성되자마자, 동적 표면 어닐링(DSA) 프로세스가 수행된다(도 20의 블록(230)). 웨이퍼가 DSA 챔버에 위치되며(블록 232), CW 다이오드 레이저의 배열로부터의 광이 특정 파장(예를 들어, 810 nm)에서 도 1~9의 광 소오스에 의해 웨이퍼 상에 얇은 라인(thin line)으로 포커싱된다(블록 234). 이러한 라인의 광은 전체 웨이퍼에 걸쳐 가로질러 스캐닝된다(236). 이러한 단계에서의 웨이퍼의 신속한 가열은 본 명세서에 이미 기재되어 있다. 블록(230)이 완성되자마자 OAL은 웨이퍼로부터 제거된다(블록 240). 이러한 단계는 가열된 웨이퍼 지지부 및 산소 가스(라디칼) 소오스로 구성되는 통상의 스트립 챔 버를 사용할 수 있다. 그러나, 바람직하게, 스트립 챔버가 도 9에 도시된 형태의 환상형 소오스 플라즈마 반응기이며, 상기 반응기 내에서 프로세스 가스가 산소로 구성되며 그리고/또는 질소 가스가 도입되며, 플라즈마 소오스 전력을 이용하여 플라즈마가 발생한다. 웨이퍼가 가열될 수도 있으며 (가열된 웨이퍼 척으로 가열되거나 플라즈마 가열될 수도 있으며) 그리고/또는 OAL 또는 비정질 탄소 층의 제거를 개선하도록 바이어싱된다.
광 흡수 강화 종들은 상기 종들이 프로세스 가스 내에 포함됨으로써 CVD 증착 프로세스 중에 OAL 내측으로 주입되는 블록(216) 단계와 구별되는 바와 같은 포스트 CVD 이온 주입 단계에 의해 OAL 내측으로 주입될 수 있다. 이러한 경우에, 도 20의 프로세스가 도 21에 도시된 바와 같이 변경되며, 이러한 프로세스에서, 블록(210)의 저온 OAL CVD 단계의 완성 후 그리고 블록(230)의 DSA 단계 전에, 포스트 CVD 이온 주입 단계(220)가 수행되며, 여기서 (붕소와 같은) 광 흡수 강화 종이 OAL 내측으로 도입된다. 이러한 목적을 위해서, 통상의 비임 라인 이온 주입기가 이용될 수 있지만, 바람직하게, P3i 환상형 소오스 플라즈마 반응기(도 9)가 하나와 등에 의한 전술된 공개 특허에 기재된 방식으로 사용된다. 이러한 단계는 도 22에 도시되며, 여기서 웨이퍼(251)가 도펀트 주입되는 영역을 포함하는 맨위의 박막 구조(252)를 가진다. 웨이퍼(251) 및 박막 구조(252)가 블록(210)의 단계에서 형성되는 비정질 탄소 OAL(253)에 의해 덮인다. 블록(220)의 포스트 CVD 이온 주입 단계가 도 22에 도시된 바와 같이 OAL(253) 내측으로 이온(예를 들어, 붕소 이온)을 가속화함으로써 실행된다. 붕소를 이전에 형성된 극히 얕은 접합으로 도입 하는 것을 방지하기 위해서, 붕소의 이온 주입 깊이 프로파일이 OAL(253)의 바닥보다 훨씬 위에 있을 필요가 있다. 도 23a는 도펀트 주입되는 영역(251a), 박막 구조(252) 및 OAL(253)을 가지는 웨이퍼(251) 또는 반도체 (실리콘) 층을 도시하고 있다. 도 23b는 OAL(253) 내에 광 흡수 강화 종의 이온 주입 농도 깊이 프로파일을 도시하고 있다. 주입되는 이온(붕소) 농도는 깊이와 함께 하향으로 램핑(ramp)되며 OAL(253)의 바닥 위의 제로에 근접하게 도달하여 바닥 OAL 층(253a)은 비주입 상태가 된다. 이러한 특징은 두 개의 이점을 가질 수 있다. 하나의 이점은 이온 주입되는 흡수 강화 종에 의한 하부 반도체 층(51)의 오염이 비 주입되는 바닥 OAL 층(253a)이 존재에 의해 방지된다는 점이다. 다른 하나의 이점은 바닥 OAL(253a)을 순수한 상태가 되게 하면 OAL과 하부 재료 사이의 결합 또는 부착의 강도 또는 질을 강화시킬 수 있다. 도 23b는 주입 프로파일이 기울거나 램핑된 주입 프로파일을 도시하고 있으며, 이온 주입 프로파일은 급각을 형성하게 될 수 있어서, OAL(253)의 전체 주입되는 (상부) 영역은 깊이 함수로서 주입되는 종의 (경사지는 것보다는) 거의 균일한 분포를 가질 수 있다.
굴절률의 허수부 또는 소광 계수가 흡수 강화 종의 이온 주입에 의지하지 않고 경사질 수 있다. 예를 들어, CVD 증착 단계 중에, OAL에 첨가되는 흡수제 강화 종의 농도 깊이 프로파일이 경사질 수 있다. 이는 블록(216)의 단계에 첨가되는 습수제 강화 종의 비율이 CVD 증착 단계 중에 시간에 따라 경사지거나 계단형이 되는 단계를 포함하도록 도 20의 프로세스를 변경함으로써 수행된다. 이와 달리, 특정 프로세스 매개변수(예를 들어, 바이어스 전력)가 CVD 증착 단계 중에 시간에 따 라 경사지거나 계단형이 될 수 있다. 이러한 변형이 도 24에 도시되며, 여기서 블록(210)의 CVD 증착 프로세스가 두 개의 단계 중 하나(또는 모두)를 완결한다. 제 1 단계(도 24의 블록(261))은 블록(210)의 CVD 증착 단계 중에 흡수 강화 가스 전구체 종(예를 들어, B2H6)의 챔버 내측으로의 가스 유동률이 시간에 따라 경사지는 것이다. 다른 단계(도 24의 블록(262))는 블록(210)의 CVD 증착 단계 중에 (바이어스 전력 또는 전압과 같은) 특정 프로세스 매개변수를 시간에 따라 경사지는 것이다. 바이어스 전력 또는 전압의 램핑(ramping)은 압축 응력의 경사진 깊이 분포 및 OAL(253) 내의 밀도를 생성시킬 것이다. 밀도는 흡수에 영향을 미치며, 바이어스 전압을 램핑하는 것은 OAL 내의 깊이의 함수로서 OAL의 흡수 특성을 경사지게 하는 경향이 있을 것이다. 도 25는 프로세스 가스 내의 흡수 강화 종 전구체의 일부(또는 CVD 층두께)가 바닥 OAL 층의 최소 두께(T)에서 시작하여 시간에 따라 어떻게 상향으로 램핑되는지 도시하는 그래프이다. 도 26은 블록(210)의 CVD 증착 프로세스 중에 시간에 따라 어떻게 증가하는지 도시하는 그래프이다. 바이어스 전압은 최소 층 두께(T)가 도달될 때까지 인가되지 않는다. 이러한 후자의 특징은 두 개의 이점을 가진다. 첫 째, 하부 반도체 층 내측으로의 불순물의 의도되지 않은 주입이 하부 층이 노출되고 보호되지 않는 경우에 증착의초기에 웨이퍼 바이어스 전압을 제거함으로써 방지된다. 두 번째, 바닥 OAL 층상의 바이어스 전압의 부족은 OAL/웨이퍼에서 응력을 최소화하며, 이러한 경계면에 걸친 결합에 기여할 수 있으며 OAL의 제거 후 하부 층 상의 응력의 내력(history of stress)을 방치하는 것을 방지할 수 있다. 도 27은 하부 층(251, 252) 및 OAL(253)의 정면도이다. OAL(253)은 순수하고 응력이 가해지지 않은 하부 층(253a)을 포함하며, 상부 부분은 높이와 함께 증가하는 불순물 농도 및 압축 응력을 가진다.
도 20의 프로세스는 OAL(253) 내의 무반사 코팅을 형성함으로써 광 흡수를 강화시키기 위해서 변경될 수 있다. 이러한 특징은 임의의 전술된 흡수 강화 프로세스 단계 이외에 또는 이와 조합하여 사용될 수 있다. 이러한 변경은 도 28에 도시되어 있으며, CVD 프로세스(210)가 낮은 k (투과성) 값 및 높은 k (불투과성) 값을 교대식으로 OAL 내의 연속 하부 층(successive sub-layer)을 형성하는 블록(217)의 단계를 포함한다. "k"라는 용어는 소광 계수, DSA 광 소오스의 파장(예를 들어, 810 nm)에서 굴절율의 허수 부분을 언급하는 것이다. 도 28에서, 블록(210)의 OAL 증착 단계는 도 1~9의 DSA 광 소오스의 파장에서 높고 낮은 k 값을 교대식으로 OAL의 연속 하부 층을 형성하는 블록(217)의 단계를 포함한다. 이러한 단계는: (a) 챔버에 흡수 강화 첨가 가스 유동(을 작동 및 차단하는) 단계(도 28의 블록 (217a)), (b) 흡수 강화 첨가 가스 종(예를 들어, 붕소 함유 가스)과 투과성 강화 첨가 가스 종(예를 들어, 플루오르-함유 첨가 가스) 사이의 첨가 가스 함량을 교대하는 단계(도 28의 블록 217b)(c) 낮은 k 재료의 형성을 촉진시키는 값 및 높은 k 재료의 형성을 촉진하는 값들 사이의 CVD 프로세스 매개변수를 교대하는 단계(도 28의 블록 217c) 중 임의의 어느 하나의 단계를 포함할 수 있다.
도 29a는 시간 함수로서 반응 챔버 내의 총 프로세스 가스의 (첨가) 흡수-강화 종 전구체 가스 분율 조성을 도시하는 그래프이며, 이는 도 28의 블록(217a)이 단계에 따라서 시간에 따라 계단형 또는 상하 펄스형이다. 이는 불투과성 층(들) 의 두께를 규정하는 "온(on)" 시간 주기 및 덜 불투과성 (또는 투과성에 가까운) 층(들)의 두께를 규정하는 "오프(off)" 시간을 이용하여, 첨가 가스 유동률을 펄스화(pulsing)함으로써 수행된다. 펄스(pulse)의 수는 무반사 코팅 내에 불투과성 및 투과성(non-opaque) 층을 교대하는 수를 결정한다. 이러한 광 두께는 DSA 광 소오스의 1/4 파장에 일반적으로 대응할 수 있다. 도 29b는 시간의 함수로서 반응 챔버 내의 총 프로세스 가스의 첨가 가스 분율 조성을 도시하는 그래프이며, 도 28의 블록 단계(217b)의 단계에 따라 투과성 강하 종 전구체(예를 들어, 플루오르 함유 가스)와 흡수 강화 종 전구체(예를 들어, 붕소 함유 가스) 사이에서 대체한다. 흡수 강화 첨가 가스 유동의 온-시간은 OAL의 무반사 섹션의 불투과성 층의 두께를 결정하지만, 투과성 강화 첨가 가스 유동의 온-시간은 OAL의 무반사 섹션 내의 투과성 층의 두께를 결정한다. 도 29c는 시간 함수로서 증착되는 재료의 흡수에 영향을 미치는 (RF 바이어스 전력과 같은) 선택되는 프로세스 매개변수의 값을 도시하는 그래프이다. 도 29c에서, 프로세스 매개변수 값은 도 28의 블록(217c) 단계에 따라 낮고 높은 값 사이에서 펄스화된다. 이러한 단계는 블록(217a) 또는 블록(217b)중 어느 하나의 단계와 결합할 수 있다. 바이어스 전력의 경우에, 높은 값은 증착되는 재료 내에 보다 압축적인 응력을 생성시키며, 보다 조밀하게 형성하여 흡수 또는 소광 계수 k를 강화시키지만, 낮은 k 값은 보다 작은 k 값을 갖는 하부 층을 형성한다. 증착되는 재료의 광 흡수 특성에 영향을 미치는 경향이 있는 다른 프로세스 매개변수는 이러한 효과를 강화시키기 위해서 유사한 방식으로 펄스화될 수 있다. 이러한 부가적인 프로세스 매개변수는 염기 증착 재료 전구체 가스 의 가스(예를 들어, 비정질 탄소 OAL의 경우에 탄소 함유 가스)의 유동률, 소오스 전력, 웨이퍼 온도, 챔버 압력을 포함할 수 있다.
전술된 단계 중 임의의 어느 한 단계에 의해 형성되는 무반사 섹션을 포함하는 OAL은 도 30에 도시되어 있다. 비정질 탄소 층일 수 있는 OAL은 저온 CVD 프로세스에 의한 박막 구조(252) 및 웨이퍼(251) 상에 형성된다. 도 28의 블록(217) 단계는 OAL(253)의 섹션(253a)는 불투과성 및 투과성 층(253a-1, 253a-2, 253a-3, 253a-4)을 교대하는 단계로 구성되도록 CVD 프로세스의 적어도 일부분 중에 실행된다. 교체 층(253a-1) 내지 교체 층(253a-4)이 적합한 두께(예를 들어, DSA 광 소오스의 1/4 파장)로 이루어진다면, 섹션(253)은 OAL 내의 무반사 코팅이다. 이와 달리, OAL(253)의 내부 성분으로서 도 30에 도시된 무반사 섹션(253a)은 대신, OAL(253)의 잔류물의 최상부상에 코팅일 수 있다.
전술된 예들은 광 흡수가 최소화되는 OAL과 관련되지만, 전술된 저온 CVD 프로세스는 광 소오스의 파장에서 낮은 광 흡수를 가지는 비정질 탄소 층 또는 OAL을 형성하도록 이용될 수 있다. 이는 예를 들어, OAL 내에 다른 흡수 강화 불순물을 포함 또는 첨가하는 단계를 자제함으로써 달성될 수 있다. 순수한 비정질 탄소 OAL의 경우에, 저온 CVD 프로세스는 도 3의 GaAs 다이오드 레이저 어레이의 파장(810 nm)에서 상대적으로 투명한 층을 형성한다. 보다 큰 투과성(또는 불투과성이 거의 없는/흡수성)이 바람직하다면, (플루오르와 같은) 투과성 강화 불순물이 포스트 CVD 이온 주입 단계에 의해 또는 CVD 프로세스 내의 적합한 전구체(예를 들어, 플루오르 함유) 가스를 포함함으로써 OAL에 첨가될 수 있다.
도 31은 도 20, 21, 24 또는 28 중 임의의 어느 하나의 블록(230) 단계를 실행하기 위해서 웨이퍼 상에서 DSA 프로세스를 수행하는 (도 1~8의) DSA 광 소오스(260) 및 반도체 웨이퍼(40)를 도시하고 있다. 도 31에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(40)가 전술된 저온 CVD 프로세스 내에 증착되는 OAL 층(253)으로 코팅된다. OAL(253)은 CVD 프로세스 중에 또는 포스트 CVD 이온 주입 프로세스 중에 도입되는 흡수 강화 불순물, 무반사 섹션 또느ㅌ 코팅, 및/또는 강화된 밀도와 같은 예를 들어, 비정질 탄소 기본 재료 및 흡수 강화 특징과 같은 전술된 특징들 중 임의의 어느 하나 또는 다수 또는 모두를 가진다. 도 31의 DSA 광 소오스는 레이저 바(132)의 배열, 마이크로-렌즈릿(140)의 배열, 선택적 인터리버(interleaver; 142), 선택적 분극 멀티플렉서(polarization multiplexer; 152), 일련의 렌즈(162, 164, 166), 균일 광 파이프(170), 빠른 축 포커싱 광학(180, 182), 및 고온계(161)를 포함하며, 모두 도 1~8을 참조하여 서두에 기재된다. 도 31은 광 소오스 빠른 축선(light source fast axis)을 따라 도시된다. 비임은 (빠른 축에 수직 또는 가로 지르는) 광 소오스 느린 축선(light source slow axis)을 따라 웨이퍼(40)에 대해 이동한다.
도 32는 웨이퍼 내의 반도체 접합 (극히 얕은 접합)을 어닐링하기 위한 통합 시스템의 일 실시예를 도시하고 있다. 도 32의 통합된 시스템은 쌍을 이루는 다른 도구들이 통합되는 메카니즘(310) 또는 공통의 웨이퍼 핸들링 로봇을 가지는 단일 플랫폼 상의 "트윈(twin)" 구성 내에서 이루어진다. 특히, 로봇 웨이퍼 핸들러(310)는 한 쌍의 입력/출력(input/output) 웨이퍼 포트(315a, 315b), 도 9를 참 조하여 전술된 형태의 한 쌍의 환상형 플라즈마 소오스 저온 CVD 반응 챔버(320a, 320b), 도 1~8을 참조하여 전술된 형태의 완전한 광 소오스를 각각 포함하는 한 쌍의 DSA 챔버(325a, 325b), 및 한 쌍의 강 흡수 층 스트립 챔버(330a, 330b)와 조화된다. 도 33은 도 20~29를 참조하여 전술된 모는 단계 및 프로세스를 수행할 수 있으며 모든 단계 및 프로세스를 수행할 수 있으며 반도체 접합을 어닐링하며 형성하기 위한 통합 시스템의 다른 실시예를 도시하고 있다. 도 33의 통합 시스템은 웨이퍼 입력/출력 포트 또는 팩토리 인터페이스(factory interface; 355. 355')를 갖는 웨이퍼 핸들러(350)를 가진다. 다음의 도구 반응 챔버: 광 흡수 층의 저온 CVD 형성을 실행하기 위한, 프리 이온 주입 웨이퍼 세정 챔버(pre-ion implant wafer cleaning chamber; 360), 극히 얕은 접합 도펀트 이온 주입 반응기(365), 포스트 이온 주입 저항 스트립 챔버(367), 도 9에 도시된 형태의 환상형 플라즈마 소오스 반응기(370), 도 31의 포스트 DSA 광 소오스(260)를 포함하는 DSA 챔버(380), 반응기(370) 내의 웨이퍼 상에 증착되는 OAL 내측으로 광 흡수 강화 불순물 또는 첨가제를 주입하기 위한 포스트 CVD 이온 주입 반응기(375), 및 포스트 DSA OAL 제거 프로세스를 형성하기 위한 OAL 스트립 챔버(385)는 웨이퍼 핸들러(350)에 연결된다. 습식 세정 챔버는 포스트 이온 주입이 스트립 챔버(367) 또는 OAL 스트립 챔버(385)에 저항한 후에 이용될 수 있다.
프리 주입 웨이퍼 세정 반응기(360)가 통상의 세정 반응기일 수 있지만, 도 9에 도시된 형태의 다른 환상형 소오스 플라즈마 반응기일 수 있으며, 여기서 세정 가스(예를 들어, 수소-함유 또는 산소 함유 또는 플루오르 함유 가스 또는 질소 함 유 가스, 또는 헬륨, 네온, 아르곤 또는 크세논과 같은 불활성 가스)가 플라즈마가 발생되는 동안 도입된다. 도펀트 이온 주입 반응기(365)가 통상의 이온 비임 주입기일 수 있으며 P3i 반응기일 수 있다. 이러한 P3i 반응기가 본 명세서 서두에 언급된 히로지 하나와(Hiroji Hanawa)에 의한 공개 출원을 참조하여 본 명세서의 서두에 전술된 P3i 접합 형성 프로세스를 실행하기 위한 도 9에 도시된 형태의 환상형 소오스 반응기일 수 있다. 포스트 CVD 이온 주입 반응기(375)가 통상의 이온 비임 주입기일 수 있으며 P3i일 수 있다. 이러한 P3i 반응기는 본 명세서에 언급된 히로지 하나와 등에 의해 공개된 출원을 참조하여 본 명세서 서두에 전술된 P3i 프로세스를 실행하기 위한 도 9에 도시된 형태의 환상형 소오스 반응기일 수 있다. 그러나, 이러한 경우에 주입되는 종은 예를 들어, 붕소 함유 가스와 같은 광 강화 종 전구체 가스이다. OAL 스트립 반응기(385)는 웨이퍼로부터 OAL 재료를 제거하기 위한 통상의 반응기일 수 있다. OAL이 비정질 탄소인 경우에, 스트립 챔버(385)는 산소 및/또는 질소 가스를 사용할 수 있으며, 제거 프로세스를 진척시키기 위해서 웨이퍼를 가열 및/또는 바이어싱 처리할 수 있다. 그러나, OAL 스트립 반응기(385)가 도 9에 도시된 형태의 환상형 플라즈마 소오스 반응기일 수 있으며, 여기서 산소 및/도는 질소 함유 가스 수소 함유 가스, 또는 플루오르 함유 가스가 도입되며 플라즈마가 플라즈마 소오스 전력을 이용하여 발생된다. 웨이퍼는 가열될 수도 있으며 (가열된 웨이퍼 척으로 가열될 수 있거나 플라즈마 가열될 수도 있음) 그리고/또는 비정질 탄소 층 또는 OAL의 제거를 개선하기 위해서 바이어싱 처리될 수 있다. 예를 들어, 환상형 플라즈마 소오스 스트립 반응기 내에서, 웨이퍼 가 250℃에서 가열된 정전 척상에 위치된다. 제 1 단계에서, O2, H2, N2 및 NF3의 가스 혼합물이 환상형 플라즈마 소오스 반응기 내측으로 유동한다. 2 kW의 RF 환상형 소오스 전력이 두 개의 환상형 플라즈마 소오스 각각에 인가된다. 500 V의 RF 바이어스 전압이 정전 척에 인가된다. 제 2 단계에서, 비정질 탄소 층을 부분적으로 제거한 후에, O2, H2, N2의 가스 혼합물이 환상형 플라즈마 소오스 반응기 내측으로 유동한다. 1 kW의 RF 환상형 소오스 전력이 두 개의 환상형 플라즈마 소오스 각각에 인가된다. 50 V의 RF 바이어스 전압이 정전 척에 인가된다. 제 2 단계는 비정질 탄소 층이 제거될 때까지 실행된다. 선택적으로, 탄소 (또는 하부 재료)의 존재 또는 부재에 대응하는 강 방출 라인 종료점 신호가 측정될 수 있으며, 선택적으로 스트립 프로세스를 종료시킬 수 있다. 예를 들어, 여기된 CO의 방출 라인이 플라즈마 내의 탄소 부산물의 존재를 나타내기 위해서 이용될 수 있다. CO 방출 라인 신호가 사라지는 경우에, 탄소 층이 제거된다. OAL 층을 제거하기 위한 전술된 스트립 프로세스는 웨이퍼가 제거된 후 또는 웨이퍼가 챔버 내측으로 도입되기 전 챔버 표면 상에 증착되는 다른 재료 및 탄소를 제거하기 위해서 (탄소 OAL 층을 증착하는데 사용되는 반응기) OAL 증착 반응기 내의 챔버 세정 프로세스로서 사용될 수도 있다. 보다 일반적으로, (특정 광학 또는 전기적 특성이 있든지 아니든지 간에) 임의의 탄소 함유 층을 증착하는데 이용되는 환상형 플라즈마 반응기에 있어서, 전술된 두 개의 단계 탄소 스트립 프로세스가 웨이퍼 도입 전 또는 웨이퍼가 챔버로부터 제거된 후 챔버 세정 프로세스로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 탄소 스트립 프로세스가 전술된 도 19의 블록(6141)의 챔버 세정 단계로서 사 용될 수 있다.
프로세스 실시예 :
다음은 광 흡수 층 증착을 위한 탄소 전구체의 부분 목록이다.
Figure 112007086649633-PCT00001
Figure 112007086649633-PCT00002
플루오르탄소와 같은 다른 전구체가 이용될 수 있지만, 탄화수소에 비해 레이저 광 비임의 방사선의 파장에서 보다 열악한 흡수(즉, 복합 굴절률의 허수부 또는 소광 계수)를 가지는 경향이 있다. 따라서, 플루오르탄소는 유용할 수 있으며, 여기서 보다 투과성이 있거나 흡수/불투과성이 덜한 층의 일부분 또는 층을 증착시키는데 바람직하다. 바람직한 플루오르탄소 가스는 C4F6 또는 C3F6이다. 다른 플루오르탄소 가스는 C2F4, C2F6, C3F8, C4F8 및 C5F8을 포함한다. 광 특성을 더 강화하기 위한 불순물 실시예는 B2H6, BF3, B5H9, PH, PF3, AsH3, AsF5, SiH4, SiF4, GeH4, GeF4이며, 일반적으로 수소화물은 도펀트 플루오르화물보다 양호한 흡수성을 제공한다. 일 실시예에서, 300 mm 실리콘 웨이퍼 상에서, C3H6는 600 sccm의 유동률에서 C-전구체 가스로서 이용되며, B 전구체 가스가 20 sccm의 유동률에서 B2H6로 이용되며, 180 sccm에서 H2가 이용되며, 15 mtorr의 프로세스 챔버 압력에서 희석 가스 Ar이 200 sccm에서 이용된다. 교차되는 환상형 구성 내의 두 개의 재입구 관 각각에 있어서 (약 12~14 ㎒에서) 2 KW의 RF 환상형 소오스 전력이 인가된다. (1~3㎒의 주파수에서) RF 바이어스 전압이 약 8 KW RF 바이어스 전력을 필요로하며, 몇 초 후 제로부터 최고 7 KV 피크-투-피크(peak-to-peak)까지 경사진다. 정전 웨이퍼 척이 -20에서 +40C 범위로 유지되며, 웨이퍼 온도는 약 80 도℃내지 140℃이다. 1분의 프로세스 시간 동안, 필름 두께가 약 0.25 미크론이며, "k"값은 약 800 nm의 레이저 파장에서 약 0.36이다. 필름 두께가 증착 시간과 일직선이며, 3분 이내에 약 0.75 미크론을 산출한다. B 전구체 B2H6(최대 10~20%)는 H2, He, Ar 또는 N2를 이용하며, 이들의 높은 반응성이 100% 입수가능성을 방해하기 때문에 일반적으로 입수가능하게 희석된다. H2 또는 He 희석이 가장 바람직하지만, Ar 또는 N2 희석이 이용될 수도 있다. 다른 붕소 전구체가 이용될 수도 있다. 붕소 없이 전술된 실시예 조건들은 약 800 nm의 레이저 파장에서 약 0.18의 "k" 값을 갖는 필 름을 산출한다. N2는 붕소 대신에 첨가될 수 있으며, N2를 가지고 붕소 없이, 전술된 실시예 조건들은 약 800 nm의 레이저 파장에서 약 0.25의 "k" 값을 갖는 필름을 산출한다. 보다 낮은 "k" 값 필름이 일부 다른 응용예를 위해 바람직하다면, H2가 첨가될 수 있다. 200~400 sccm이 H2에 첨가되고 붕소 또는 N2 없이, 전술된 실시예 조건들은 약 800 nm의 레이저 파장에서 약 0.04의 "k" 값을 갖는 필름을 산출한다. 이와 달리 또는 부가적으로, 플루오르 함유 가스가 낮은 "k" 필름을 산출하기 위해서 첨가될 수 있다.
비정질 탄소 필름이 넓은 범위에 걸쳐서 (복합 굴절률의 허수부 또는 흡수 또는 소광 계수) "k" 값의 제어와 함께 증착될 수 있지만, 공극이 없는 지형도(topography)에 걸쳐 양호한 스텝 커버리지를 제공하며, 레이저 어닐링 또는 통상의 어닐링에 영향을 받는 경우에, 열적 특성을 개선하고 크래킹 및 필링을 방지하기 위해서 필름의 응력을 제어한다. 척 또는 웨이퍼 온도가 다른 필름 특성 또는 "k" 값을 희생하지 않고 증착률을 증가시키기 위해서 보다 낮아질 수 있다. 수 초 동안 450℃에서의 큐어링(curing)은 "k" 값을 약 0.36으로 증가시킨다. 층은 레이저의 효율적인 흡수를 허용하며, 도핑된 실리콘이 흡수 층의 본래 상태가 유지되는 동안 활성화되게 한다. 웨이퍼 표면은 흡수 층의 고장(failure) 없이 융점을 취할 수 있다. 어닐링 후에, 흡수 층이 제거될 수 있으며, (포토레지스트 스트립/세정 프로세스와 같은) 통상적인 방법으로 세정될 수 있다. 이와 달리, 스트립 프로세스는 산소 또는 산소/질소 혼합물을 이용하여, 전술된 환상형 플라즈마 소오스를 가지는 동일한 또는 다른 플라즈마 챔버 내에서 역 실행될 수도 있다.
증착 프로세스는 (도 24 및 도 28을 참조하여 전술된 바와 같이) 복합 단계일 수 있다. 전술된 단락의 실시예에서, 붕소 전구체가 웨이퍼를 도핑하는 것을 잠재적으로 방지하기 위해서 초기 붕소가 없이 층이 증착된 후에 의도적으로 지연될 수 있다. 예를 들어, 3초의 지연은 약 100-150Å 두께의 붕소가 없는 층을 산출한다. 바이어스 전압은 웨이퍼 표면 내측으로 증착 전구체의 주입을 방지하는데 이용될 수 있다. 이는 개별적으로 또는 함께 이용될 수 있다. 일 실시예에서, 붕소 전구체 도입 및 바이어스 전압-온이 3 초 지연되며, 그 후 붕소 전구체가 첨가되고 그 후 추가 3초가 지연되며 바이어스 전압이 램핑 업(ramp up) 또는 가속(step on)된다. 이는 증착되거나 주입되는 붕소 또는 탄소의 확률을 감소시킨다. 이와 달리, N2가 초기 3초의 지연 후에 (붕소 대신에) 첨가되며, 바이어스 전압이 추가의 3초 지연 후에 가속된다. 또 다른 실시예에서, N2가 초기 3초의 지연 후에 (붕소 대신에), 바이어스 전압이 추가의 3 초 지연 후에 가속되며, 그리고 나서 60 초 후, 붕소 전구체가 프로세스의 잔여물을 위해(N2를 이용하여 또는 N2 없이) 작용한다. 일부 중요한 파장(예를 들어, 810 nm)에서, 광 흡수제로서 비정질 탄소 피름을 증착하기 위한 저온 환상형 플라즈마 CVD 프로세스에서, (1) 붕소(즉, B2H6) + (2) N2 또는 다른 형태의 질소를 기본 비정질 탄소 전구체 탄화수소 가스(즉, C3H6)에 첨가하는 상승 이점이 있다. 증착되는 탄소 층의 열적 안정성이 450℃, 특히 보다 높은 온도에서 개선된다. 특히, 증착되는 비정질 탄소 층이 레이저 가열되거나, 증착되는 층의 박리(delamination), 또는 필링 등이 없이 실리콘의 융점 보다 높은 온도에서 가열된다. 이러한 특징을 실제로 박리 또는 필링을 방지하 는데 통상적으로 필요한 한계 이온 에너지 또는 한계 웨이퍼 전압을 감소시킨다. 수소 가스 내에 붕소 및 질소 첨가제를 결합하는 전술된 특징이 광학적으로 흡수 비정질 탄소 층을 증착하는 경우에 사용될 수 있으며, 광 흡수제가 아닌 탄소 층을 증착하기 위해 사용될 수도 있다. 다른 실시예에서, 300 mm 실리콘 웨이퍼 상에서, Ar이 800 sccm의 유동률 및 30 mtorr의 압력에서 자체적으로 도입되어 교차되는 환상형 구성의 두 개의 재입구 관 각각을 위해 (약 12~14㎒의 주파수에서) 1 KW의 RF 환상형 소오스 전력의 응용예를 이용하여 플라즈마를 시작한다. 플라즈마 초기화 단계 다음에, 드로틀 밸브가 조절되어 챔버 압력을 15 mtorr로 감소시키며, 이는 증착 프로세스의 나머지 동안 유지된다. 그 후 Ar 유동이 200 sccm으로 감소되며, C3H6이 600 sccm의 유동률에서 C-전구체 가스로서 도입되며, 환상형 소오스 전력 레벨은 초기 인터페이스 층을 증착하기 위해서 3 초의 간격에 있어서 관 하나당 2kW로 증가된다.(환상형 소오스 전력 레벨은 증착 프로세스의 나머지 동안 관 하나당 2 kW로 유지된다). 그 후, N2가 333 sccm의 유동률로 도입되며, (1-3 ㎒의 주파수에서) RF 바이어스 전압이 약 8 KW RF 바이어스 전력을 필요로하며, 몇 초 후 제로부터 최고 7 KV 피크-투-피크(peak-to-peak)까지 램핑 업된다. 약 40 초 후에, B2H6이 180 sccm의 유동률에서 수소 희석 가스를 이용하여 20 sccm의 유동률로 도입되며, N2 유동은 (선택적으로) 중단된다. 이러한 단계는 140초 동안 실행된다. 전체 구동 중에, 정전 웨이퍼 척이 -20에서 +40C 범위로 유지되며, 웨이퍼 온도는 약 80 도℃내지 140℃이다. 약 3분의 총 프로세스 시간 동안, 필름 두께가 약 0.75 미크론이며, "k"값은 약 800 nm의 레이저 파장에서 약 0.36이다. 그리고 10 % 미만의 CF4를 이용하여 질소와 산소의 혼합물을 이용하여, 이미 전술된 환상형 스트립 챔버 내에서 또는 통상의 하류 부분 라디칼 스트립 프로세스 챔버 내에서 250℃의 웨이퍼 온도에서 (어닐링을 이용하여 또는 어닐링 없이) 제거가능하다. CF4 또는 대안적인 플루오르 소오스가 초기 최상부 붕소 함유 층이 제거된 후 정지될 수 있으며(플루오르 또는 이와달리 수소가 붕소를 제거하는데 기여), 그 후 통상의 질소 및 산소가 하부 웨이퍼 표면에 최소의 손상 상태로 잔여 필름 두께를 제거하는데 효과적이다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 상세하게 기재하지만, 본 발명은 본 발명의 범위 및 사상을 벗어나지 않고 변형 및 수정될 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (20)

  1. 반도체 재료 소재 내에 반도체 접합을 형성하는 방법으로서,
    상기 반도체 재료의 선택된 영역 내에 도펀트 불순물을 이온 주입하는 단계;
    상기 소재를 포함하는 챔버 내측으로 광 흡수 재료 전구체 가스를 도입시키는 단계;
    상기 소재상에 광 흡수 재료의 층을 증착시키기 위해서, RF 소오스 전력을 인가함으로써 상기 소재 상에서 프로세스 존을 포함하는 재입구 경로 내에 RF 진동 환상형 플라즈마 전류를 발생시키는 단계;
    상기 반도체 재료 내의 도펀트 불순물을 활성화하기 위해서 상기 소재를 광학적으로 어닐링 하는 단계를 포함하는
    반도체 접합 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 RF 소오스 전력을 인가하는 상기 단계가, 상기 재입구 경로의 외부에 RF 소오스 전력을 커플링 하는 단계를 포함하는
    반도체 접합 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 소재를 200 ℃ 미만의 온도로 유지하는 단계를 더 포함하는
    반도체 접합 형성 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 소재의 온도가 100℃ 미만인
    반도체 접합 형성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 소재에 바이어스 전력 또는 전압을 인가하는 단계를 더 포함시키는
    반도체 접합 형성 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 광 흡수 재료가 비정질 탄소를 포함하며, 상기 전구체 가스가 탄소 함유 가스를 포함하는
    반도체 접합 형성 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 광 흡수 층 내에 흡수 강화 종을 포함시키는 단계를 더 포함하는
    반도체 접합 형성 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 광 흡수 층 내에 흡수 강화 종을 포함시키는 상기 단계가, 광 흡수 강화 종 전구체 가스를 상기 광 흡수 재료의 증착 중에 상기 광 흡수 재료 전구체 가스에 첨가하는 단계를 포함하는
    반도체 접합 형성 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 광 흡수 층 내에 흡수 강화 종을 포함시키는 단계는, 상기 광 흡수 층이 증착된 후에 상기 광 흡수 층 내측으로 상기 광 흡수 강화 종을 이온 주입하는 단계를 포함하는
    반도체 접합 형성 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 소재를 광학적으로 어닐링하는 상기 단계가 레이저의 어레이로부터 라인 비임으로 상기 소재의 최상부 표면상에 광을 포커싱하며 상기 라인 비임을 가로지르는 방향으로 상기 최상부 표면을 따라 상기 라인 비임을 스캐닝하는 단계를 포함하는
    반도체 접합 형성 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 레이저의 어레이가 미리결정된 파장으로 방사선을 방출하며; 그리고
    상기 흡수 강화 종이 상기 미리결정된 파장에서 상기 광 흡수 재료의 불투과성을 증가시키는
    반도체 접합 형성 방법.
  12. 제 5 항에 있어서,
    상기 광 흡수 층 내의 미리결정된 응력 레벨을 달성하기 위해서 상기 바이어스 전력 또는 전압을 조절하는 단계를 더 포함하는
    반도체 접합 형성 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 미리결정된 응력 레벨이 압축 응력에 대응하는
    반도체 접합 형성 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 흡수 층 내의 원하는 등각을 달성하기 위해서 상기 RF 소오스 전력의 레벨을 조절하는 단계를 더 포함하는
    반도체 접합 형성 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 조절 단계는 상기 광 흡수 층에 의해 스텝 커버리지를 달성하기 위해서 충분히 높은 레벨의 높은 등각으로 상기 RF 소오스 전력을 설정하는 단계를 포함하는
    반도체 접합 형성 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 광 흡수 강화 종은: 붕소, 질소, 수소 중 어느 하나를 포함하는
    반도체 접합 형성 방법.
  17. 제 5 항에 있어서,
    상기 광 흡수 층 내의 응력 레벨의 등급을 정하기 위해서 초기 값에서 최대 값으로 시간에 따라 상기 바이어스 전력 또는 전압 레벨을 증가시키는 단계를 더 포함하는
    반도체 접합 형성 방법.
  18. 제 8 항에 있어서,
    상기 광 흡수 층의 깊이에 따라 상기 광 흡수 특성을 변경하기 위해서 시간에 따라 상기 챔버 내의 상기 광 흡수 강화 전구체 가스의 비율을 변경시키는 단계를 더 포함하는
    반도체 접합 형성 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 광 흡수 강화 전구체 가스의 비율을 시간에 따라 변경시키는 단계는:
    (a) 상기 흡수 층의 깊이에 따라 상기 흡수 특성의 등급을 정하기 위해서 상기 비율을 램핑(ramping)시키는 단계;
    (b) 교대로 높고 낮은 불투과성의 하부 층을 가지는 상기 흡수 층 내의 무반사 코팅을 형성하기 위해서 상기 비율을 전환하는 단계; 중 어느 하나의 단계를 포함하는
    반도체 접합 형성 방법.
  20. 제 9 항에 있어서,
    상기 광 흡수 층의 투과성을 깊이에 따라 변경시키기 위해서 깊이에 따라 변하는 이온 주입 깊이 프로파일(profile)을 제공하는 단계를 더 포함하는
    반도체 접합 형성 방법.
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