플라즈마 기반 이온주입을 위한 패러데이 도즈 및 균일성모니터 document_id A220623043834

이온주입은 전도성-변환 불순물을 반도체 웨이퍼에 도입시키기 위한 표준 기술이다. 종래 이온주입 시스템에서, 원하는 불순 물질은 이온 소스에서 이온화되고 이러한 이온들은 미리설정된 에너지의 이온빔을 형성하도록 가속되며, 이온빔은 웨이퍼의 표면으로 지향된다. 빔에서 에너지화된 이온은 반도체 재료의 벌크 안으로 관통하고 반도체 재료의 결정 격자 안으로 매립되어 원하는 전도성 영역을 형성한다. 일부 사용분야에서, 불순 물질이 웨이퍼 표면 부근 영역으로 한정되는 반도체 웨이퍼 내의 얕은 접합부(junction)을 형성할 필요가 있다. 이러한 사용분야에서, 종래 이온주입기의 하드웨어를 형성하는 고에너지 가속 및 관련 빔은 필요하지 않다. 따라서, 반도체 웨이퍼의 얕은 접합부를 형성하기 위해 플라즈마 도핑 시스템을 사용하는 것이 제시되었다. 플라즈마 도핑 시스템에서, 반도체 웨이퍼는 캐소드로서 기능하는 도전성 플래튼(platen) 위에 위치한다. 원하는 도펀트 물질을 함유한 이온화가능한 가스는 챔버 안으로 도입되고, 고전압 펄스가 플래튼과 애노드 또는 챔버 벽 사이에 인가되어, 웨이퍼에 근접한 플라즈마 시쓰(sheath)를 갖는 플라즈마를 형성한다. 인가된 전압은 플라즈마의 이온들이 플라즈마 시쓰를 가로질러 웨이퍼 안으로 주입되게 한다. 이온주입 깊이는 웨이퍼와 애노드 사이에 인가된 전압과 관련한다. 플라즈마 도핑 시스템은 1994년 10월 11일자로 쉥(Sheng) 등에게 부여된 미국특허 5,354,381호에 개시되어 있다. 상기 개시된 플라즈마 도핑 시스템에서, 고전압 펄스는 플라즈마를 생성하고 플라즈마로부터 웨이퍼를 향해 양이온을 가속시킨다. 플라즈마 이머젼(immersion) 시스템으로 알려진, 다른 타입의 플라즈마 시스템에서, 통상적으로 무선주파수(RF) 전력을 인가하여 생성된 연속 플라즈마는 플래튼과 애노드 사이에서 유지된다. 간격을 두고, 고전압 펄스가 플래튼과 애노드 사이에 인가되어, 플라즈마의 양이온들이 웨이퍼를 향해 가속되게 한다. 웨이퍼 안으로 주입되는 축적 이온 도즈와 웨이퍼 표면을 가로지른 도즈 균일성과 관련한 이온주입을 포함하는 반도체 제조 공정에는 엄격한 조건이 요구된다. 주입된 도즈는 주입된 영역의 전기적 활성을 결정하지만, 도즈 균일성은 반도체 웨이퍼 상의 모든 소자들이 특정 한계 내의 작동 특성을 갖기 위해 필요하다. 타겟 또는 웨이퍼에 충격을 주는 이온 전류의 정확한 측정은 공정 성능을 저하시키지 않고 반복적인 이온주입 도즈를 얻기 위해 이온주입 공정 시간을 제어할 것을 요구한다. 측정은 플라즈마로부터 양이온의 주입을 달성하도록 음의 DC 바이어스로 펄싱되는 이온주입 타겟에 또는 타겟에 근접하여 측정이 수행되어야 한다는 사실로 인해 복잡해진다. 따라서, 고전위에서 측정된, 이온 전류 신호 정보는 이온주입 공정 시간을 제어하는 제어 시스템에 의한 사용을 위해 접지 전압에 결합되어야 한다. 이상적으로, 균일성 측정은 이온 전류 측정 구성에 포함될 수 있다. 플라즈마 도핑 시스템에서 도즈 측정을 위한 종래 방법 중 하나는 전압 펄스에 의해 플라즈마에 전달된 전류의 측정을 포함하며, 이는 상술한 미국특허 5,354,381호에 개시되어 있다. 그러나, 이러한 방법은 정확하지 않다. 측정된 전류는 이온주입 동안 생성된 전자들을 포함하며 작업물에 주입되는 중성 분자들이 전체 도즈에 영향을 줌에도 불구하고 중성 분자를 제외한다. 또한, 측정된 전류가 주입되는 웨이퍼를 통과한 이후, 측정된 전류는 웨이퍼의 특성에 의존하며, 이는 측정된 전류에 오차를 발생시킬 수 있다. 이러한 특성은 웨이퍼 상의 포토레지스트로부터의 방사율, 국부적인 하전, 가스 방출 등을 포함한다. 따라서, 상이한 웨이퍼들은 동일한 이온 도즈에 대해 상이한 측정 전류를 제공한다. 게다가, 측정된 전류 펄스는 측정시 오차를 유발할 수 있는 큰 용량성 또는 변위 전류 성분을 포함한다. 플라즈마 도핑 도지메트리(dosimetry)에 대한 기술은 Jones 등이 게재한 1997년 2월호 IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 25, No.1의 42-52쪽에 개시되어 있다. 이온주입기 전류와 이온주입 전압의 측정은 단일 이온주입 펄스에 대한 이온주입 프로파일을 결정하는데 사용된다. 단일 펄스에 대한 이온주입 프로파일은 최종 이온주입 프로파일 및 전체 주입된 도즈를 예측하는데 사용된다. 또한 이러한 방법은 반복성을 보장하기 위해 전력 공급 및 가스 제어 안정성에 의존한다는 사실이 어느 정도 이유가 되어 정확하지 않다. 또한, 실험적인 방법은 시간이 소요되고 비용이 비싸다. 웨이퍼에 고에너지 빔을 제공하는 것을 포함하는 종래 이온주입 시스템에서, 축적 이온 도즈는 통상적으로 타겟 웨이퍼의 전면에 위치한 패러데이 컵(Faraday cup) 또는 패러데이 케이지(cage)에 의해 측정된다. 패러데이 케이지는 통상적으로 전도성 밀봉부이며, 종종 웨이퍼는 패러데이 시스템의 일부를 구성하는 밀봉부의 하향 단부에 위치한다. 이온 빔은 패러데이 케이지를 통과하여 웨이퍼에 이르며 패러데이의 전류를 형성한다. 패러데이 전류는 전기적 도즈 프로세서에 공급되고, 상기 프로세서는 전체 이온 도즈량(dosage)을 결정하기 위해 전류를 시간과 관련하여 적분한다. 도즈 프로세서는 이온주입기를 제어하는데 사용되는 피드백 루프의 일부일 수 있다. 이온주입기를 위한 다양한 패러데이 케이지 구성이 종래에 개시되어 있다. 반도체 웨이퍼의 전면에 위치한 패러데이 케이지는 Forneris 등의 1979년 1우러 16일자 미국특허 4,135,097호; Turner의 1984년 2월 21일자 미국특허 4,433,247호; Robertson 등의 1983년 12월 20일자 미국특허 4,421,988호; Robertson 등의 1984년 7월 31일자 미국특허 4,463,255호; Douglas의 1982년 11월 30일자 미국특허 4,361,762호; Kolondra 등의 1988년 11월 22일자 미국특허 4,786,814호; 및 Wu 등의 1986년 6월 17일자 미국특허 4,595,837호에 개시되어 있다. 회전하는 디스크 뒤에 위치한 패러데이 케이지는 Ryding의 1980년 10월 14일자 미국특허 4,228,358호; Ryding의 1980년 11월 18일자 미국특허 4,234,797호; 및 Farley의 1986년 5월 6일자 미국특허 4,587,433호에 개시되어 있다. 또한 도즈 및 도즈 균일성은 Corey 등의 1988년 6월 14일자 미국특허 4,751,393호에 개시된 코너 컵 장치를 이용한 종래 고에너지 이온주입 시스템으로 측정된다. 중앙 개구부를 갖는 마스크는 이온빔의 경로에 위치한다. 빔은 마스크의 영역 위를 스캐닝하며 빔의 일부는 중앙 개구부를 통과하여 웨이퍼에 충돌한다. 작은 패러데이 컵은 마스크의 4개의 코너에 위치하고 이들 위치에서 빔 전류를 감지한다. 다른 패러데이 컵 구성은 Chen 등의 2000년 4월 18일자 미국특허 6,050,218호, Denholm 등의 2000년 8월 15일자 미국특허 6,101,971호, 및 Liebert 등의 2000년 2월 1일자 미국특허 6,020,592호에 개시되어 있다. Chen 등의 구성과 Denholm 등의 구성은 패러데이 컵을 위한 정전기 억제의 사용을 개시하며, 이러한 정전기 억제는 "마이크로-아크"를 통해 입자 오염을 유발할 수 있다. Liebert 등의 구성은 2차 전자들의 자성(magnetic) 억제를 제공하기 위해 마스크와 패러데이 컵의 진입부 사이에 위치한 자기장의 사용을 개시한다. 그러나 자기장 혼란은 측정 오류를 유발할 수 있다.