KR100247917B1 - 플라즈마의균일성제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자 제조를 위한 플라즈마 반응 챔버내의 플라즈마 균일성 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 유도 결합 플라즈마와 헬리콘파 플라즈마가 혼합된 혼합 플라즈마를 반응 챔버 내에 발생시키는 단계와, 혼합 플라즈마의 밀도를 실시간으로 모니터링하는 단계와, 모니터링 결과, 플라즈마의 밀도가 반응 챔버의 가장자리에서 상대적으로 높은 경우에는 반응 챔버 내에 인가되는 자기장의 강도를 증가시켜 헬리콘파 플라즈마의 형성을 유도하는 단계, 및 모니터링 결과, 플라즈마의 밀도가 반응 챔버의 중심부에서 상대적으로 높은 경우에는 반응 챔버 내에 인가되는 자기장의 강도를 감소시켜 유도 결합 플라즈마의 형성을 유도하는 단계를 포함한다.

Description

플라즈마의 균일성 제어방법{Method of controlling a plasma uniformity}

본 발명은 플라즈마의 균일성 제어방법에 관한 것으로, 유도 결합형 플라즈마(Capacitively coupled plasma)와 헬리콘파 플라즈마(Helicon wave plasma)가 혼합된 플라즈마 발생기구에 있어서, 자기장(Magnetic field)의 강도를 조절하여 플라즈마 밀도의 균일성을 확보할 수 있는 플라즈마의 균일성 제어방법에 관한 것이다.

반도체장치의 제조공정이 서브마이크론(sub-micron) 레벨로 진행됨에 따라 가공치수가 미세화하여 0.4m 이하 레벨의 패턴 가공이 필요하게 되었다. 따라서, 식각공정에 있어서, 하지막과의 높은 식각선택비와 미세 선폭 제어등의 요구가 강조되고 있다. 이에 따라, 이방성 프로파일을 형성하는 건식식각 방식이 식각공정의 대다수를 차지하게 되었으며, 수직 프로파일에 대한 요구는 디자인 룰(design rule) 감소와 더불어 그 정도가 더욱 강해지고 있는 추세이다.

이러한 건식식각 공정은 크게, 물리적 스퍼터링 방법, 반응성 이온 식각(Reactive ion etching) 방법, 및 플라즈마 식각 방법으로 나뉘어진다. 최근에는 마스크와 하지층 모두에 대해 높은 선택비를 갖는 플라즈마 식각이 주로 사용되고 있는데, 이러한 플라즈마 식각시 전기적인 결함을 줄이고 고 이방석 형상을 얻기 위한 노력이 부단히 계속되고 있다.

이를 위하여 최근 주목받고 있는 설비들은 대개 저압에서 고밀도 플라즈마를 생성하여 고 이방성 식각을 달성하면서 동시에 플라즈마로 부터의 전기적 결함을 줄이는 방법을 택하고 있다. 이와 같은 특성을 갖는 대표적인 설비들로서, ICP(Inductively Coupled Plasma) 또는 TCP(Transformer coupled plasma)와 같은 유도 결합형 플라즈마 발생기구와 헬리콘파 플라즈마 발생기구를 들 수 있다.

유도 결합형 플라즈마는 코일에 RF 전력을 인가하여 유도된 전기장을 이용하는 플라즈마로서, 플라즈마 주변에 설치되며 RF 전류가 통과되는 원형 또는 나선형의 안테나에 공급되는 고주파에 의해서 형성되는 2차 전기장이 플라즈마 내부로 깊숙히 침투해 들어가지 못한다.

한편, 플라즈마의 표면에 작용하는 전자계에 의해 그 부분에 흐르는 높은 주파수의 전류가 표면에서 내부로 들어감에 따라 감쇠하는데, 표면의 전류 밀도에 대하여 1 네퍼(neper) 만큼 밀도가 감소하기까지의 깊이를 표피의 깊이(Skin depth)라 한다. 상기 표피의 깊이의 식에 의해 구해지는데, c는 빛의 속도를 나타내고는 전자 플라즈마 주파수를 나타낸다.

상기 유도 결합형 플라즈마는 이러한 표피의 깊이라고 불리는 정도의 거리, 즉 안테나에 아주 가까운 플라즈마 표면에서만 2차 전기장에 의하여 전자들이 가속되는 메카니즘을 갖는다. 이러한 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 플라즈마의 가장장리 근처의 밀도가 가운데의 밀도에 비해 높아지는 불균일성이 존재하게 된다.

상기한 유도 결합형 플라즈마 발생장치의 안테나 방향에 수직인 자기장을 인가하는 경우, 자기장의 강도를 증가시킴에 따라 표피의 깊이가 증가한다. 자기장이 어느정도 증가하게 되면 안테나에서 발생된 2차 전기장이 플라즈마 한 가운데까지 깊숙히 침투하게 되고, 이 경우 플라즈마 내부를 진행하는 전자기파가 형성되는데 이를 헬리콘파라고 부른다. 헬리콘파는 자기장의 방향에 대해 평행한 위치에서 전파되는데, 그 길이는 자장의 세기에 의존한다. 이러한 헬리콘파에 의해 생성된 플라즈마는 도 2에 도시된 바와 같이 그 가운데의 밀도가 가장 높은 분포를 갖는다.

상술한 바와 같은 유도 결합형 플라즈마 및 헬리콘파 플라즈마에 있어서, 플라즈마 밀도의 불균일성은 플라즈마를 이용하는 식각공정의 진행시 공정 마진의 협소를 초래하여 수율을 저하시킨다. 또한, 플라즈마 밀도의 불균일성으로 인하여 게이트산화막이 열화되는 등 반도체 소자의 전기적 결함을 초래하게 된다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 유도 결합형 플라즈마와 헬리콘파 플라즈마가 혼합된 플라즈마 발생기구에 있어서, 자기장의 강도를 조절하여 플라즈마 밀도의 균일성을 확보할 수 있는 플라즈마의 균일성 제어방법을 제공하는데 있다.

도 1는 유도 결합 플라즈마의 밀도 분포를 나타내는 그래프이다.

도 2은 헬리콘파 플라즈마의 밀도 분포를 나타내는 그래프이다.

도 3는 유도 결합 플라즈마와 헬리콘파 플라즈마가 혼합된 경우에 있어서, 플라즈마의 밀도 분포를 나타내는 그래프이다.

도 4는 전하 결합 소자를 이용하여 플라즈마 밀도를 실시간 모니터링하는 방법을 설명하기 위한 개략도이다.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명은, 반도체 소자 제조를 위한 플라즈마 반응 챔버내의 플라즈마 균일성 제어 방법에 있어서, (가) 유도 결합 플라즈마와 헬리콘파 플라즈마가 혼합된 혼합 플라즈마를 상기 반응 챔버 내에 발생시키는 단계: (나) 상기 혼합 플라즈마의 밀도를 실시간으로 모니터링하는 단계; (다) 상기 모니터링 결과, 상기 플라즈마의 밀도가 상기 반응 챔버의 가장자리에서 상대적으로 높은 경우에는 상기 반응 챔버 내에 인가되는 자기장의 강도를 증가시켜 상기 헬리콘파 플라즈마의 형성을 유도하는 단계; 및 (라) 상기 모니터링 결과, 상기 플라즈마의 밀도가 상기 반응 챔버의 중심부에서 상대적으로 높은 경우에는 상기 반응 챔버 내에 인가되는 자기장의 강도를 감소시켜 상기 유도 결합 플라즈마의 형성을 유도하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 전하 결합 소자(Charge coupled device; 이하 CCD라 한다)를 사용하여 플라즈마 밀도를 실시간 모니터링할 수 있다.

본 발명은 유도 결합 플라즈마와 헬리콘파 플라즈마가 혼합된 플라즈마 발생기구에 있어서, 자기장의 강도를 조절하여 유도 결합 플라즈마 또는 헬리콘파 플라즈마 중의 어느 하나를 강조함으로써 플라즈마 밀도의 공간적인 분포를 조절할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.

먼저, 플라즈마에 대해 간단하게 설명하면, 플라즈마란 이온, 전자 및 다양한 중성종들로 이루어진 부분적으로 이온화된 가스를 말하며, RF 전기장을 저전압에서 가스에 인가함으로써 발생된다. 플라즈마에 외부로부터 정자장(Static magnetic field)을 인가하면 이를 상쇄시키기 위하여 플라즈마 속의 하전된 입자들, 예컨대 전자 및 이온들이 회전운동을 하게 되는데, 이때의 회전반경을 라모(Larmor) 반경이라 한다. 이는 플라즈마가 반자성체(Diamagnetic material)이기 때문에 생기는 현상이며, 라모 반경을 수학식으로 표현하면 다음과 같다.

여기서, r_l은 라모 반경을 나타내고, m은 충전된 입자의 직경을, v_??는 자장과 수직방향의 충전된 입자의 속도를, 그리고 B는 자기장의 세기를 나타낸다.

플라즈마를 발생하는 시스템의 크기, 예컨대 반응챔버의 반경이나 전극간의 간격에 비해 상기 라모 반경이 작을 경우 충전된 입자는 인가된 자기장을 따라 한정되는데, 전자의 경우는 이온보다 가벼우므로 시스템의 크기보다 훨씬 작은 라모 반경을 갖게 되어 자기장의 영향을 받는다.

플라즈마에 정자장을 인가하는 가장 대표적인 방법은 전자석 코일(Electromagnetic coil)에 직류(DC) 전류를 인가하여 전류와 수직방향의 자기장을 발생시키는 방법이다. 이때 발생되는 자기장은 전류의 크기 및 전류원으로부터의 거리의 함수가 된다 (암페어의 회로법칙 또는 비오-사바르의 법칙 참조).

이와 같이 자기장은 플라즈마 파라미터들을 제어하는 가장 중요한 물리요소 중의 하나이다. 특히, 자기 증대 반응성 이온 식각(Magnetically enhanced reactive ion etching; MERIE) 장치에 있어서, 자기장은 공정압력을 감소시키고 이온화 정도를 증가시키며 이온 에너지를 감소시키는 등 플라즈마의 특성을 개선시킨다. 또한, 자기장은 헬리콘파 플라즈마 및 전자 사이클로트론 공명(Electron Cyclotron Resonance; ECR) 플라즈마를 발생시키는 필수적인 요소 중의 하나이다.

통상적인 플라즈마 발생기구에서 100 가우스 정도의 약한 자기장이 존재하는 경우, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 두 가지 모드의 플라즈마가 동시에 존재하게 된다. 즉, 유도 결합에 의하여 플라즈마 밀도가 가장자리가 높은 모드와, 헬리콘파에 의해 플라즈마 밀도의 가운데가 높은 모드가 동시에 존재하게 된다. 이를 도 3에 도시하였다.

이때, 자기장의 세기가 약한 경우, 유도 결합에 의한 플라즈마 형성이 강하게 되어 플라즈마의 가장자리의 밀도가 높아지게 된다. 반면에, 자기장의 세기가 강한 경우에는, 헬리콘파에 의한 플라즈마 형성이 강하게 되어 플라즈마의 가운데의 밀도가 높아지게 된다. 따라서, 자기장의 강도를 조절하여 유도 결합 플라즈마 또는 헬리콘파 플라즈마 중의 어느 하나를 강조함으로써 플라즈마 밀도의 공간적인 분포를 조절할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 플라즈마 밀도의 분포를 항시 모니터링하여 플라즈마 밀도의 공간적 분포를 조절하는 기능을 더욱 강화할 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이 CCD 카메라를 이용하여 플라즈마의 밀도를 실시간 모니터링한다.

도 4를 참조하면, 플라즈마 발생기구에서 방출되는 빛을 정해진 파장만을 선택적으로 투과시키는 광학 필터를 통하여 CCD 카메라로 분석한다. 이러한 방식으로 플라즈마 밀도의 공간적인 분포를 실시간 모니터링하며, 분석한 결과를 되먹임(Feed-back)하여 자기장의 세기를 재조정함으로써 최적화된 공간적으로 균일한 플라즈마 밀도를 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의한 플라즈마의 균일성 제어방법에 의하면, 유도 결합 플라즈마와 헬리콘파 플라즈마가 혼합된 플라즈마 발생기구에 있어서, 자기장의 강도를 조절하여 유도 결합 플라즈마 또는 헬리콘파 플라즈마 중의 어느 하나를 강조함으로써 플라즈마 밀도의 공간적인 분포를 조절할 수 있다.

Claims (2)

1. 반도체 소자 제조를 위한 플라즈마 반응 챔버내의 플라즈마 균일성 제어 방법에 있어서,

   (가) 유도 결합 플라즈마와 헬리콘파 플라즈마가 혼합된 혼합 플라즈마를 상기 반응 챔버 내에 발생시키는 단계:

   (나) 상기 혼합 플라즈마의 밀도를 실시간으로 모니터링하는 단계;

   (다) 상기 모니터링 결과, 상기 플라즈마의 밀도가 상기 반응 챔버의 가장자리에서 상대적으로 높은 경우에는 상기 반응 챔버 내에 인가되는 자기장의 강도를 증가시켜 상기 헬리콘파 플라즈마의 형성을 유도하는 단계; 및

   (라) 상기 모니터링 결과, 상기 플라즈마의 밀도가 상기 반응 챔버의 중심부에서 상대적으로 높은 경우에는 상기 반응 챔버 내에 인가되는 자기장의 강도를 감소시켜 상기 유도 결합 플라즈마의 형성을 유도하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 균일성 제어 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 플라즈마의 밀도를 실시간으로 모니터링하는 단계는 전하 결합 소자(CCD)를 사용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 균일성 제어방법.