KR0183844B1 - 알에프 발생 장치 및 이를 이용한 펄스 플라즈마 형성 방법 - Google Patents

알에프 발생 장치 및 이를 이용한 펄스 플라즈마 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 RF(Radio Frequency) 발생 장치 및 이를 이용한 펄스 플라즈마 형성 방법에 관한 것으로, 본 발명에서는 시간 변조된 RF 파워를 인가하여 반도체 제조에 사용되는 펄스 플라즈마를 형성하는 데 있어서, 상기 시간 변조된 RF 파워를 얻기 위한 변조 함수의 파형은 파형의 상승 부분의 에지와 하강 부분의 에지에서 각각 상승/하강하는 형상이 점차적으로 상승/하강하는 형상을 갖는 파형을 갖는다. 본 발명에 의하면, 펄스 플라즈마를 형성하기 위하여 시간 변조된 RF 파워를 인가할 때 높은 반사파를 줄여서 설비 및 공정 안정성을 확보할 수 있다.

Description

RF 발생 장치 및 이를 이용한 펄스 플라즈마 형성 방법
제1도는 펄스 플라즈마를 발생시키기 위하여 사용하는 계단 파형으로 변조된 RF 파워를 발생키기는 종래의 RF 발생 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
제2도는 펄스 플라즈마를 발생시키기 위하여 가해지는 시간 변조된 RF파워의 일반적인 파형을 나타낸 것이다.
제3a, b도는 계단파형 변조를 위한 f(ω0t) 및 g(ωt)의 파형을 개략적으로 도시한 것이다.
제4도는 각각의 모드 수에 대하여 계단파형으로 변조된 함수의 주파수 스팩트럼 분포를 나타낸 것이다.
제5도는 본 발명의 변조 함수에 따라 시간 변조된 RF 파워를 공급하여 펄스 플라즈마를 발생시키기 위한 RF 발생 장치의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
제6도는 반파형 사인파형으로 변조하기 위한 변조 함수의 파형을 개략적으로 도시한 것이다.
제7도는 반파형 사인파형의 변조 함수에 따라 변조된 함수의 파형을 개략적으로 도시한 것 이다.
제8도는 각각의 모드 수에 대하여 반파형 사인파형으로 변조된 함수의 주파수 스팩트럼 분포를 나타낸 것이다.
본 발명은 RF(Radio Frequency) 발생 장치 및 이를 이용한 펄스 플라즈마 형성 방법에 관한 것으로, 특히 반사파가 적게 형성될 수 있는 시간 변조된 RF 파워를 발생하는 RF 발생 장치 및 이를 이용한 펄스 플라즈마 형성 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 집적화가 진행됨에 따라 에칭 선택비와 높은 아스펙트 비(aspect ratio)를 가지는 패턴의 가공은 그 중요도를 더해가고 있다. 이에 따라, 반도체 식각 공정중 펄스 플라즈마(또는, 시간 변조된 플라즈마)를 이용한 기술이 활발하게 진행되고 있다. 예로서, 대한민국 특허 출원 제 95-56968호에는 반도체 제조를 위한 폴리사이드층의 형성시 펄스 플라즈마 기술을 이용하여 에칭하는 방법이 개시되어 있다. 구체적으로 설명하면, 상기 언급한 종래 기술에서는 RF 파워를 계단파형(step function)으로 변조하여 폴리사이드층 형성을 위한 플라즈마 에칭에 적용함으로써, 노칭(notching)현상을 제거하고, 패턴의 프로파일 결함을 제거하고 있다.
상기 언급한 종래 기술에서와 같이 시간 변조된 RF 파워/마이크로웨이브를 사용하는 펄스 플라즈마의 경우에는 실험의 구현이 간단하고, 폴리실리콘 및 폴리사이드의 에칭시 나타나는 노칭 및 사이드어택(side attack)에 대한 개선 효과가 크다.
상기한 종래 기술에서와 같이 RF 파워를 계단파형으로 변조하는 경우를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
일반적으로, 계단파형으로 변조한 RF 파워는 주어진 RF 파워를 일정 시간 온(on)하여 발생시키고, 나머지 주어진 시간 동안은 오프(off)하는 것의 반복으로서 이루어진다.
제1도는 펄스 플라즈마를 발생시키기 위하여 사용하는 계단파형으로 변조된 RF 파워를 발생시키는 종래의 RF 발생 장치를 개략적으로 도시한 것이다. 제1도를 참조하면, 계단파형으로 변조한 RF 파워를 발생하는 RF 발생 장치(100)는 RF를 발생시키는 진동자(oscillator)(102)와, 발생된 RF를 필요한 파워까지 증폭시키는 RF 파워 증폭기(104)를 포함하여 구성된다. 그리고, 진동자(102)와 증폭기(104) 사이에 외부의 변조 함수를 받아들일 수 있는 믹서(106)가 설치된다. 여기서 사용되는 변조 함수는 상기 언급한 바와 같이 계단파형으로 주어진다. 즉, 주어진 신호가 고레벨(high)일 때에는 RF를 발생시키고, 저레벨(low)일 때에는 RF를 발생 시키지 않는다. 그에 따라 펄스 형태로 RF 신호가 변조되어 플라즈마 반응 장치(120)로 공급된다.
제2도는 펄스 플라즈마를 발생시키기 위하여 가해지는 시간 변조된 RF 파워의 일반적인 파형을 나타낸 것이다. 제2도에 나타낸 함수 F(ωt)는 다음 식 (Ⅰ)과 같이 나타낼 수 있다.
식 (Ⅰ) 중, F(ωt)는 변조된 RF 파워를 나타내는 함수이고, f(ω0t) 는 연속적으로 발생되는 RF 파워로서, f(ω0t) = A sinω0t 로 나타낼 수 있다. 여기서, ω0는 인가되는 RF 파워의 진동수로서 반송 주파수(carrier frequency)라고도 불리운다. 그리고, g(ωt)는 변조 함수를 나타내는 것으로서, RF 파워를 계단 파형으로 변조하는 경우에 RF 파워를 일정 시간 온하여 발생시키고 나머지 일정 시간은 오프하기 위하여 g(ωt)는 다음 식(Ⅱ)와 같이 계단 함수의 형태를 갖추게 된다.
식(Ⅱ)중, T는 변조 함수의 주기를 나타내고, 0 T1T 이다. 또한, ω는 변조 함수의 각주파수를 나타낸다.
제3도 (a) 및 (b)는 각각 상기와 같이 정의된 f(ω0t) 및 g(ωt))의 파형을 개략적으로 도시한 것이다.
변조된 함수 f(ωt)의 진동수를 분석하기 위하여, 먼저 변조 함수 g(ωt)의 진동수 분석을 하면 다음과 같다.
변조 함수 g(ωt)의 듀티 사이클(duty cycle)의 비를 50%로 가정하면 (즉, T1= T/2), g(ωt)는 다음과 같은 푸리에 급수(Fourier series)로 전개할 수 있다.
따라서, f(ω0t) = A sinω0t 일 때, 시간 변조된 RF 파워의 파형은 다음과 같이 표시될 수 있다.
상기한 바와 같이, 주어진 사인파형의 RF 파워를 계단파형의 변조 함수로서 변조하는 경우에는, 반송 주파수 근처에서 일련의 측파대(sideband)가 형성되는 것을 알 수 있다. 이 측파대들은 각각 진동수가 ω0± (2k-1)ω이고, 진폭이 A/π·1/(2k-1) 로 됨을 알 수 있다.
제4도는 작각의 모드 수(mode number) k에 대하여 계단파형으로 변조된 함수의 주파수 스팩트럼 분포를 나타낸 것이다. 제4도로부터 알 수 있는 바와 같이, 인가되는 반송 주파수 ω0의 주변으로 변조 함수의 주파수에 해당하는 측파대 모드 ω0± (2k-1)ω가 발생한다.
상기한 바와 같이, 일반적으로 플라즈마 시스템에 변조된 RF 파워를 인가하는 경우에는 주어진 RF 파워의 주파수를 중심으로 변조 주파수 간격으로 넓은 주파수를 가지는 측파대(side band)가 형성되기 때문에, 높은 반사파가 불가항력적으로 생길 수밖에 없다. 이러한 높은 반사파로 인해 하드 웨어, 특히 RF 발생 장치 등이 손상되고, 공정의 안정성 및 재현성이 좋지 않아서 실용화되지 못하고 있는 실정이다.
상기한 바와 같이 플라즈마 시스템에서 RF 파워를 인가할 때 발생하는 반사파를 줄이기 위하여, 일반적으로 매칭 네트워크(matching network)를 사용하고 있다. 그러나, 매칭 네트워크에서는 주어진 한 주파수에서 반사파가 최소로 되고, 이 주파수에서 어느 정도 대역을 벗어나게 되면 반사파가 커지게 된다. 즉, 상기 제4도에 도시한 바와 같은 여러 개의 넓은 대역의 주파수에 대하여는 반사파를 동시에 줄일 수 없다. 따라서, 펄스 플라즈마에서는 이러한 측파대에 의하여 반사에 의한 파워가 높아지게 되고, 심한 경우에는 인가한 RF 파워의 80% 이상이 반사되는 경우도 나타나게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 펄스 플라즈마를 형성하는 데 있어서 반사파가 적게 형성될 수 있는 시간 변조된 RF 파워를 발생할 수 있는 RF 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 펄스 플라즈마를 형성하기 위하여 시간 변조된 RF 파워를 인가할 때 높은 반사파를 줄여서 설비 및 공정 안정성을 확보할 수 있는 펄스 플라즈마 형성 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 플라즈마 반응 장치에 시간 변조된 RF 파워를 공급하여 펄스 플라즈마를 발생시키는 RF 발생 장치에 있어서, 상기 시간 변조된 RF 파워의 파형으로서 그 상승 부분의 에지(edge)와 하강 부분의 에지에서 각각 점차적으로 상승/하강하는 형상을 갖는 파형을 나타내는 함수에 따른 펄스 신호를 출력할 수 있는 함수 발생 수단과, 상기 펄스 신호를 필요한 레벨까지 증폭시킨 후, 증폭된 신호를 플라즈마 반응 장치에 출력하는 증폭기와, 상기 함수 발생 수단으로부터의 펄스 신호를 수신하여 상기 증폭기에 입력시키는 입력 포트를 갖춘 것을 특징으로 하는 RF 발생 장치를 제공한다.
상기 펄스 플라즈마는 ECR(Electron Cyclotron Resonance)플라즈마, ICP(Inductively Coupled Plasma), TCP(Transformer Coupled Plasma), 헬리콘파(helicon wave) 플라즈마 및 표면파(surface wave) 플라즈마로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나이다.
상기 함수의 파형은 반파형 사인파형, 반파형 코사인파형 및 가우스형 펄스로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나이다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 시간 변조된 RF 파워의 파형으로서 그 상승 부분의 에지와 하강 부분의 에지에서 각각 상승/하강하는 형상이 점차적으로 상승/하강하는 형상을 갖는 파형을 나타내는 함수에 따른 펄스 신호를 발생시키고, 상기 펄스 신호를 필요한 레벨까지 증폭시키고, 상기 증폭된 펄스 신호를 플라즈마 반응 장치에 출력시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 플라즈마 형성 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 펄스 플라즈마를 형성하기 위하여 시간 변조된 RF 파워를 인가할 때 높은 반사파를 줄여서 설비 및 공정 안정성을 확보할 수 있다.
다음에, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제5도는 변조 함수에 따라 플라즈마 반응 장치에 시간 변조된 RF 파워를 공급하여 펄스 플라즈마를 발생시키기 위한 본 발명에 따른 RF 발생 장치의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
제5도에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 RF 발생 장치(10)는 시간 변조된 RF 파워의 파형을 나타내는 함수에 따른 펄스 신호를 출력할 수 있는 함수 발생 수단(12)과, 수신된 신호를 필요한 파워까지 증폭시킨 후, 증폭된 신호를 플라즈마 반응 장치에 출력하는 증폭기(14)와, 상기 함수 발생 수단(12)으로부터의 펄스 신호를 수신하여 상기 증폭기(14)에 입력시키는 입력 포트(16)을 갖춘다.
상기 펄스 플라즈마는 ECR(Electron Cyclotron Resonance)플라즈마, ICP(Inductively Coupled Plasma), TCP(Transformer Coupled Plasma), 헬리콘파(helicon wave) 플라즈마 및 표면파(surface wave) 플라즈마 등의 고밀도 플라즈마로 될 수 있다.
상기와 같이 구성된 RF 발생 장치(10)에서는 상기 함수 발생 수단(12)에서 RF 파워의 변조된 함수 F(ωt)에 따른 펄스 신호를 발생하고,이 펄스 신호는 상기 입력 포트(16)를 통하여 상기 증폭기(14)에 입력되어 필요한 파워까지 증폭된다. 이와 같이 증폭된 RF는 플라즈마 반응 장치(60)로 출력된다.
다른 구성으로서, 본 발명의 변조 함수에 따라 플라즈마 반응 장치에 시간 변조된 RF 파워를 공급하여 펄스 플라즈마를 발생시키기 위한 RF 발생 장치로서 상기 제1도에 도시한 바와 같은 장치를 사용하고, 변조 함수의 파형으로서 반파형 사인파형 믹서에 인가하여 변조된 함수를 생성시키는 구성을 채용할 수 있다.
본 발명에서는 상기한 바와 같은 RF 발생 장치를 사용하여 반도체 제조에 사용되는 펄스 플라즈마를 형성하기 위하여, 시간 변조된 RF 파워의 변조 함수로서 파형의 상승 부분의 에지와 하강 부분의 에지에서 각각 상승/하강하는 형상이 점차적으로 상승/하강하는 형상을 갖는 파형, 바람직하게는 반파형 사인파형(half sine waveform)을 가지는 함수를 사용한다.
변조 함수의 파형으로서 반파형 사인파형을 이용하는 경우를 예로 들어 설명하면, 변조 함수 g(ωt)를 다음 식(Ⅲ)과 같은 반파형 사인파로서 변조한다.
제6도는 식 (Ⅲ)과 같이 정의된 변조 함수 g(ωt)의 파형을 개략적으로 도시한 것이다.
제6도에 나타낸 바와 같은 변조 함수 g(ωt)는 다음과 같은 푸리에 급수(Fourier series)로 전개할 수 있다.
따라서, f(ω0t) = A sinω0t 일 때, 상기 변조 함수 g(ωt)에 의해 시간 변조된 RF 파워의 파형은 다음과 같이 표시될 수 있다.
제7도는 상기한 바와 같이 변조 함수 g(ωt)에 따라 변조된 함수 F(ωt)의 파형을 개략적으로 도시한 것이다.
제8도는 각각의 모드 수 k에 대하여 변조 함수 g(ωt)에 따라 반파형 사인파형으로 변조된 함수의 주파수 스팩트럼 분포를 나타낸 것이다. 제8도로부터 알 수 있는 바와 같이, 중심 진동수인 반송 주파수 ω0의 주변에는 RF 파워를 계단파형으로 변조한 경우와 마찬가지로 측파대가 형성되기는 하나, 변조 함수가 계단 함수인 경우에 비하여 중심 진동수가 훨씬 크고, 모드 수 k가 증가함에 따라서 각 모드의 진폭이 빠르게 감소하는 것을 알 수 있다. 즉, 주어진 매칭 네트워크로 매칭시켜야 하는 주파수 대역의 범위가 줄어들게 된다. 따라서, 시간 변조된 RF 파워의 파형을 반파형 사인파형으로 변조함으로써 반사파를 줄일 수 있다.
상기한 설명에서는 본 발명에 따른 펄스 플라즈마 형성을 위한 RF 파워 파형의 변조 함수를 반파형 사인파형에만 한정하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 시간 변조 함수 g(ωt)의 파형이 계단식으로 갑자기 상승/하강하는 형상이 아니고 파형의 상승 부분의 에지와 하강 부분의 에지에서 각각 상승/하강하는 형상이 점차적으로 상승/하강하는 형상을 갖는 파형이면 어느 것이든 가능하다. 예를 들면, RF 파워의 변조 함수로서 상기한 반파형 사인파형 외에 반파형 코사인파형, 가우스형 펄스(Gaussian pulse)도 적용할 수 있음은 물론이다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (5)

  1. 플라즈마 반응 장치에 시간 변조된 RF 파워를 공급하여 펄스 플라즈마를 발생시키는 RF 발생 장치에 있어서, 상기 시간 변조된 RF 파워의 파형으로서 그 상승 부분의 에지(edge)와 하강 부분의 에지에서 각각 점차적으로 상승/하강하는 형상을 갖는 파형을 나타내는 함수에 따른 펄스 신호를 출력할 수 있는 함수 발생 수단과, 상기 펄스 신호를 필요한 레벨까지 증폭시킨 후, 증폭된 신호를 플라즈마 반응 장치에 출력하는 증폭기와, 상기 함수 발생 수단으로부터의 펄스 신호를 수신하여 상기 증폭기에 입력시키는 입력 포트를 갖춘 것을 특징으로 하는 RF 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 펄스 플라즈마는 ECR(Electron Cyclotron Resonance)플라즈마, ICP(Inductively Coupled Plasma), TCP(Transformer Coupled Plasma), 헬리콘파(helicon wave) 플라즈마 및 표면파(surface wave) 플라즈마로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 RF 발생 장치.
  3. 시간 변조된 RF 파워의 파형으로서 그 상승 부분의 에지와 하강 부분의 에지에서 각각 상승/하강하는 형상이 점차적으로 상승/하강하는 형상을 갖는 파형을 나타내는 함수에 따른 펄스 신호를 발생시키고,상기 펄스 신호를 필요한 레벨까지 증폭시키고, 상기 증폭된 펄스 신호를 플라즈마 반응 장치에 출력시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 플라즈마 형성 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 함수의 파형은 반파형 사인파형, 반파형 코사인파형 및 가우스형 펄스로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 펄스 플라즈마 형성 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 함수의 파형은 반파형 사인파형, 반파형 코사인파형 및 가우스형 펄스로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 RF 발생 장치.
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