KR100297887B1 - Generator of inductively coupled plasma - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인덕터 커플형 프라스마 발생 장치에 관한 것으로서, 프라스마 반응관(10)의 외측에는 고주파원(80),(90)을 각각 구성하고, 프라스마 반응관(10) 내측 상단에는 철심(60)에 권선된 인덕터(61)를 고주파원(80)에 그리고, 프라스마 반응관(10) 내측 하단에는 철심(70)에 권선된 인덕터(71)를 고주파원(90)에 연결한다. 고주파원(90)에 의하여 상부 철심 및 하부 철심(60),(70)의 인덕터(61),(71)들은 자기장(B)을 형성하고, 자기장(B)은 맥스웰(Maxwell)의 전자기 유도 법칙에 의하여 공정관(20) 내부에 전기장(E)을 형성한다. 이렇게 형성된 전기장(E)은 프라스마내의 하전 입자(전자, 이온)를 제한함으로써 고밀도의 프라스마 형성을 가능케 한다.The present invention relates to an inductor-coupled plasma generating apparatus, each of which constitutes a high frequency source (80, 90) on the outside of the plasma reaction tube (10), and the iron core (top) inside the plasma reaction tube (10) The inductor 61 wound around 60 is connected to the high frequency source 80, and the inductor 71 wound around the iron core 70 is connected to the high frequency source 90 at the inner bottom of the plasma reaction tube 10. Inductors 61 and 71 of the upper and lower iron cores 60 and 70 form a magnetic field B by the high frequency source 90, and the magnetic field B is Maxwell's law of electromagnetic induction. By the electric field (E) is formed in the process tube (20). The electric field E thus formed enables the formation of high density plasma by limiting charged particles (electrons, ions) in the plasma.

Description

인덕터 커플형 프라스마 발생 장치{GENERATOR OF INDUCTIVELY COUPLED PLASMA}Inductor Coupled Plasma Generator {GENERATOR OF INDUCTIVELY COUPLED PLASMA}

본 발명은 반도체 식각에 사용되는 프라스마 발생 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자기장의 방향이 균일하게 분포되는 인덕터 커플형 프라스마 발생 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a plasma generator for use in semiconductor etching, and more particularly, to an inductor coupled plasma generator in which the direction of the magnetic field is uniformly distributed.

1MHz 내지 100MHz의 RF 주파수를 이용하는 인덕터 커플형 프라스마(Inductively Coupled Plasma ; 이하, ICP라함) 발생 장치는 하전 입자(전자, 이온등)를 자기장 내에 가둠으로서 고밀도의 농도(10-11cm-3)를 갖는 이온을 생성한다. 고밀도의 이온 농도는 반도체 제조 과정에서의 저압 식각을 가능하게 하며, 비등방성(anisortropy)과 세밀한 패턴 형성을 가능케 한다.Inductively Coupled Plasma (ICP) generators, which use RF frequencies from 1 MHz to 100 MHz, contain charged particles (electrons, ions, etc.) in a magnetic field with a high density (10 -11 cm -3 ). Produces ions having High density ion concentrations enable low pressure etching during semiconductor fabrication, anisotropy and fine pattern formation.

ICP 발생 장치는 ECR(Electron Cyclotron Resonance) 프라스마 발생 장치, 헬리콘(Helicon) 프라스마 발생 장치 및 축전기형 RF(Capacitance Coupled RF) 프리스마 발생 장치와 경쟁하며 반도체 제조 공정에서 개발되어 왔으나, 이들에 비하여 다음과 같은 장점을 가지고 있다.ICP generators have been developed in the semiconductor manufacturing process in competition with ECR (Electron Cyclotron Resonance) plasma generators, Helicon plasma generators, and Capacitance Coupled RF (SMA) prismatic generators. It has the following advantages.

우선 축전기형 RF 프라즈마 발생 장치에 비하여 ICP 발생 장치는 낮은 프라스마 포텐셜(＜50V)을 가지며 높은 이온화 율(＞5%)을 가진다. 또한 이온의 에너지를 독립적으로 조절할 수 있다는 장점을 가지며, 높은 이온화 율에 의하여 저압 공정이 가능하다는 장점이 있다.Firstly, the ICP generator has a low plasma potential (<50V) and a high ionization rate (> 5%) compared to the capacitor type RF plasma generator. In addition, it has the advantage that the energy of the ion can be independently controlled, there is an advantage that low pressure process is possible by a high ionization rate.

한편, ECR 프라스마 발생 장치의 경우에는 분리된 RF발생 장치에 의하여 반도체 기판에 걸리는 이온의 에너지를 독립적으로 조절할 수 있다. 그러나, ECR 프라스마 발생 장치의 경우에는 최적 공정 압력이 1.0mT 이하인데 반하여 ICP 발생 장치의 경우에는 고정 압력이 1mT에서 50mT로 실제 공정에 더 적합한 압력 범위를 가지고 있다. 또한, ICP 발생 장치의 경우에는 ECR 프라스마 발생 장치에 비하여 더 넓은 면적에 균일한 프라스마를 공급할 수 있고 그 부피도 더 적게 설계할 수있으며, 그 제작 단가도 저렴하다.Meanwhile, in the case of the ECR plasma generator, the energy of ions applied to the semiconductor substrate may be independently controlled by the separated RF generator. However, for ECR plasma generators, the optimum process pressure is 1.0 mT or less, while for ICP generators, the fixed pressure ranges from 1 mT to 50 mT, making it a more suitable pressure range for actual processes. In addition, in the case of the ICP generator, it is possible to supply a uniform plasma over a larger area and to design a smaller volume than the ECR plasma generator, and the manufacturing cost is low.

상술한 RF 인덕터 결합형 프라스마 발생 장치의 초기 형태는 헬리콘 프라스마 발생 장치이며, 100G-1kG 범위의 자기장이 형성된 나선형(helical) 공진 반응관 내부에서 프라스마가 형성된다. 헬리콘 프라스마 발생 장치에서 축방향의 자기장은 전자와 이온의 반경 방향으로 확산되는 것이 제한된다. 만약 자기장의 세기가 충분히 커지면 전자나 이온의 반응관 벽으로의 감소도 줄어들고 효율과 균일도가 증진된다. 헬리콘 프라스마 발생 장치는 공정 압력이 1mT이하에서 10mT 영역이며, 프라스마는 소스 챔버에서 반응관으로 확산되어 들어온다. 이러한 확산 과정은 관주위를 둘러싸고 있는 자석에 의해서 조절된다. 이러한 부가적인 자석-영구 자석 또는 전자석에 의해서 장치의 부피가 커지게 되고, 제작 단가가 비싸지는 단점이 발생한다.The initial form of the RF inductor coupled plasma generator is a helicon plasma generator, and a plasma is formed inside a helical resonance tube formed with a magnetic field in the range of 100G-1kG. In the helicon plasma generator, the axial magnetic field is limited to the radial diffusion of electrons and ions. If the strength of the magnetic field is sufficiently large, the reduction of electrons or ions to the reaction tube wall is reduced, and the efficiency and uniformity are improved. The helicon plasma generator has a process pressure of less than 1mT and 10mT, and the plasma diffuses into the reaction tube from the source chamber. This diffusion process is controlled by a magnet surrounding the tube. These additional magnet-permanent magnets or electromagnets make the device bulky, resulting in expensive manufacturing costs.

ICP 프라스마 발생 장치는 도 3에 도시된 바와 같이 프라스마 반응관(1)내에 공정관(2)이 형성되며, 이 공정관(2)내부에 가스 분배기(3)가 구성되어 있다. 가스 분배기(3)를 통하여 프라스마를 발생시키기 위한 가스의 공급 및 배출이 제어된다. 공정관(2)의 상측 및 하측에는 상부 전극(4) 및 하부 전극(5)이 각각 형성되어 있으며, 상부 전극(4)의 상부에는 얇은 판 모양의 코일(6)(코일의 모양은 상부에서 보았을 때에 나선형으로 구성된다.)이 위치하고, 이 코일(6)에는 고주파원(8)이 접속되어 있다. 또한, 하부 전극(5)에는 고주파원(9)이 접속되어 있어 공정관(2)내의 가스를 플라스마화할 수 있게 구성되어 있다. 이러한 하부 전극(5) 상단에는 웨이퍼 척(7)이 형성되며, 웨이퍼 척(7)에는 에칭하고자 하는 웨이퍼가 놓여진다. 여기서, 미설명 부호(11),(12),(13),(14)는 절연체를 의미한다.In the ICP plasma generator, as shown in FIG. 3, a process tube 2 is formed in the plasma reaction tube 1, and a gas distributor 3 is formed inside the process tube 2. The gas distributor 3 controls the supply and discharge of gas for generating plasma. The upper electrode 4 and the lower electrode 5 are formed on the upper side and the lower side of the process tube 2, respectively, and a thin plate-shaped coil 6 (the shape of the coil is seen from the top of the upper electrode 4). Is formed in a spiral shape. A high frequency source 8 is connected to the coil 6. Moreover, the high frequency source 9 is connected to the lower electrode 5, and it is comprised so that the gas in the process tube 2 may be plasma-formed. A wafer chuck 7 is formed on the lower electrode 5, and a wafer to be etched is placed on the wafer chuck 7. Here, reference numerals 11, 12, 13, and 14 denote insulators.

이러한 구성에서 고주파원(8)으로부터 RF가 코일(6)에 인가되면, 코일(6)을 따라 다량의 회전 전류가 형성된다. 이러한 전류는 축방향으로 강한 자기장을 형성하고 공정관(2) 내부에 전자기 유도 법칙에 따라 회전되는 전기장이 유도된다. 이때, 유도되는 전기장의 세기는 인가된 전류에 비례하고 감겨진 코일(6)의 회수의 제곱에 비례한다. 유도된 전기장의 균일성은 코일(6)의 감긴 회수에 비례한다. 그러나, 코일(6)의 인덕턴스는 감겨진 회수의 제곱에 비례하여 증가하고, 이는 코일 양단에 걸리는 전압차가 코일 회수의 제곱에 비례함을 의미한다. 일예로 20A의 전류와 5uH의 인덕턴스를 갖는 코일 양단에 인가되는 전압차는 13.56MHz에서 8.5kV가 된다. 이러한 고압은 매우 위험하며, 프라스마에 간섭을 일으켜 프라스마의 퍼텐셜 에너지를 높이게 되는데, 이는 프라스마 식각에 매우 나쁜 요소로 작용한다. 이러한 이유로 코일(6)을 감는 회수는 대체로 3회 이하로 제한하는데 이 경우 프라스마의 균일도가 크게 떨어지는 단점이 있다.When RF is applied from the high frequency source 8 to the coil 6 in this configuration, a large amount of rotational current is formed along the coil 6. This current forms a strong magnetic field in the axial direction, and an electric field is induced inside the process tube 2 which is rotated according to the electromagnetic induction law. The strength of the induced electric field is then proportional to the applied current and to the square of the number of turns of the coil 6. The uniformity of the induced electric field is proportional to the number of turns of the coil 6. However, the inductance of the coil 6 increases in proportion to the square of the number of turns, which means that the voltage difference across the coil is proportional to the square of the number of coils. For example, the voltage difference applied across a coil with a current of 20 A and an inductance of 5 uH is 8.5 kV at 13.56 MHz. These high pressures are very dangerous and interfere with the plasma, which increases the potential energy of the plasma, which is very bad for the etching of the plasma. For this reason, the number of windings of the coil 6 is generally limited to three times or less. In this case, the uniformity of the plasma is greatly reduced.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 자기장의 균일도를 높이고, 자기장의 세기를 증진시킬 수 있는 ICP 발생 장치를 제공하는데 있다.The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide an ICP generating apparatus capable of increasing the uniformity of the magnetic field and enhancing the strength of the magnetic field.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 가스 분배기를 통하여 가스의 공급 및 배출이 제어되며, 제 1 전극을 통하여 제공되는 제 1 고주파원의 고주파 전압에 따라 공급된 가스를 프라스마화하여 상기 제 1 전극의 상단에 구성되는 웨이퍼 척 상부에 장착되는 웨이퍼를 에칭하는 공정관이 내부에 형성되는 프라스마 반응관을 구비하는 프라스마 발생 장치에 있어서, 프라스마 반응관의 외측에 구성되는 제 2 및 제 3 고주파원과; 프라스마 반응관 내측 상단에 장착된 제 1 철심에 권선되어 제 2 고주파원의 고주파 전압에 대응하는 자기장을 형성하는 제 1 인덕터와; 프라스마 반응관 내측 하단에 장착된 제 2 철심에 권선되어 제 3 고주파원의 고주파 전압에 대응하는 자기장을 형성하는 제 2 인덕터를 구비한다.In order to achieve this object, the present invention, the supply and discharge of the gas is controlled through a gas distributor, the first electrode by plasma gas supplied according to the high frequency voltage of the first high frequency source provided through the first electrode A plasma generating apparatus comprising a plasma reaction tube having a process tube for etching a wafer mounted on an upper portion of a wafer chuck formed at an upper end of the plasma chuck, wherein the second and third high frequency waves are formed outside the plasma reaction tube. Circle; A first inductor wound around a first iron core mounted on an inner top of the plasma reaction tube to form a magnetic field corresponding to the high frequency voltage of the second high frequency source; And a second inductor wound around a second iron core mounted at an inner lower end of the plasma reaction tube to form a magnetic field corresponding to the high frequency voltage of the third high frequency source.

도 1은 본 발명에 따른 인덕터 커플형 프라스마 발생 장치의 개략 블록도,1 is a schematic block diagram of an inductor coupled plasma generator according to the present invention;

도 2는 본 발명에 따른 인덕터 커플형 프라스마 발생 장치에 의하여 발생되는 자기장 및 전기장의 상태를 도시한 도면,2 is a view showing the state of the magnetic field and the electric field generated by the inductor coupled plasma generating apparatus according to the present invention,

도 3은 종래 인덕터 커플러형 프라스마 발생 장치의 개략 블럭도.3 is a schematic block diagram of a conventional inductor coupler type plasma generating device.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10 : 프라스마 반응관 20 : 공정관10: plasma reaction tube 20: process tube

30 : 가스 분배기 40 : 상부 전극30 gas distributor 40 upper electrode

50 : 하부 전극 60, 70 : 철심50: lower electrode 60, 70: iron core

61, 71 : 인덕터 80, 90, 100 : 고주파원61, 71: inductor 80, 90, 100: high frequency source

이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 ICP 발생 장치의 개략 단면도로서, 프라스마 반응관(10)내에는 공정관(20)이 형성되며, 이 공정관(20)내부에 가스 분배기(30)가 구성되어 있다. 가스 분배기(30)를 통하여 프라스마를 발생시키기 위한 가스의 공급 및 배출이 제어된다. 공정관(20)의 상측 및 하측에는 상부 전극(40) 및 하부 전극(50)이 각각 형성되어 있다.1 is a schematic cross-sectional view of an ICP generating apparatus according to the present invention, wherein a process tube 20 is formed in a plasma reaction tube 10, and a gas distributor 30 is formed inside the process tube 20. The gas distributor 30 controls the supply and discharge of gas for generating plasma. The upper electrode 40 and the lower electrode 50 are formed above and below the process tube 20, respectively.

또한, 본 발명에서는 상부 전극(40) 및 하부 전극(50)의 상, 하부에는 연철을 사용하는 철심(60),(70)이 구성되고, 이 철심(60),(70)에는 인덕터(61),(71)가 각기 권선되어 있다. 이 인덕터(61),(71)들에는 100KHz-100MHz대역의 고주파원(80),(90)의 고주파 전압이 각기 제공된다. 여기서, 인덕터(61),(71)들은 전류 방향이 서로 동일하게 철심(60),(70)에 권선되어 일측 예컨데, 철심(60)은 N극을 철심(70)은 S극을 형성하도록 구성된다. 또한, 본 발명에서의 철심(60),(70)은 고주파원(80),(90)의 제공 전류에 의하여 형성되는 자기장의 균일성을 향상하기위하여 상호 대향하는 면의 가장 자리에 각을 형성하였다.In addition, in the present invention, the upper and lower electrodes 40 and 70 are formed with iron cores 60 and 70 using soft iron, and the inductors 61 are provided on the iron cores 60 and 70. ) And 71 are respectively wound. The inductors 61 and 71 are provided with high frequency voltages of the high frequency sources 80 and 90 in the 100 KHz-100 MHz band, respectively. Here, the inductors 61 and 71 are wound on the iron cores 60 and 70 so that the current directions thereof are the same, for example, the iron core 60 is configured to form the N pole and the iron core 70 to form the S pole. do. In addition, in the present invention, the iron cores 60 and 70 form angles at edges of mutually opposing surfaces to improve the uniformity of the magnetic field formed by the current provided by the high frequency sources 80 and 90. It was.

한편, 하부 전극(50)에는 13.16MHz의 고주파원(100)이 연결되어 있어 공정관(20)내의 가스를 플라스마화할 수 있게 구성되어 있다. 이러한 하부 전극(50) 상단에는 웨이퍼 척(110)이 형성되며, 웨이퍼 척(110)에는 에칭하고자 하는 웨이퍼가 놓여진다.On the other hand, the high frequency source 100 of 13.16 MHz is connected to the lower electrode 50 so that the gas in the process tube 20 can be plasma-formed. The wafer chuck 110 is formed on the lower electrode 50, and the wafer to be etched is placed on the wafer chuck 110.

여기서, 미설명 부호(110),(120),(130),(140)는 절연체를 의미한다.Here, reference numerals 110, 120, 130, and 140 refer to an insulator.

이와 같이 구성된 장치에서 가스 분배기(30)를 통하여 공정관(20) 내에 가스가 제공된 후에 하부 전극(50)에 고주파원(100)의 고주파 전압에 제공되므로써 공정관(20)내의 가스들은 프라스마화된다. 이때, 고주파원(80),(90)으로부터 상부 철심 및 하부 철심(60),(70)의 인덕터(61),(71)로 전압이 제공되므로, 상부 철심 및 하부 철심(60),(70)의 인덕터(61),(71)들은 도 2와 같은 자기장(B)을 형성한다. 인덕터(61),(71)에 의하여 형성된 자기장(B)은 맥스웰(Maxwell)의 전자기 유도 법칙에 의하여 공정관(20) 내부에 전기장(E)을 형성한다. 이렇게 형성된 전기장(E)은 프라스마 내의 하전 입자(전자, 이온)를 제한하므로써 고밀도의 프라스마 형성을 가능케 한다.In the apparatus configured as described above, after the gas is provided in the process tube 20 through the gas distributor 30, the gas in the process tube 20 is plasmaized by being provided to the lower electrode 50 at the high frequency voltage of the high frequency source 100. At this time, since the voltage is provided from the high frequency source 80, 90 to the inductors 61, 71 of the upper and lower iron cores 60, 70, the upper and lower iron cores 60, 70 Inductors 61 and 71 form a magnetic field B as shown in FIG. 2. The magnetic field B formed by the inductors 61 and 71 forms an electric field E inside the process tube 20 according to Maxwell's law of electromagnetic induction. The electric field E thus formed limits the charged particles (electrons, ions) in the plasma, thereby enabling high density plasma formation.

한편, 본 발명에서의 자기장(B)은 상부 철심(60)과 하부 철심(70)의 인덕터(61),(71) 상호간의 영향으로 형성되는 것이므로 자기장(B)이 외부에 유출되는 것이 방지됨을 알 수 있다. 또한, 본 발명에서는 두 개의 인덕터(61),(71)를 분산 배치하므로써 동일한 세기의 자기장을 얻는데 필요한 인덕터당의 전류의 량은 반으로 줄어듬을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 인덕터(61),(71)들 각각이 종래 장치의 인덕터와 동일한 인덕턴스를 갖고 있을 때에 인덕터(61),(71)들 양단에 가해지는 전압차가 종래에 비하여 반으로 감소하게 된다. 이는 장비가 보다 안전함을 의미하며, 양단 전압으로 인한 프라스마 간섭 현상이 줄어듬을 의미한다.On the other hand, since the magnetic field B in the present invention is formed by the influence between the inductors 61 and 71 of the upper iron core 60 and the lower iron core 70, the magnetic field B is prevented from leaking to the outside. Able to know. In addition, in the present invention, by distributing the two inductors 61 and 71, the amount of current per inductor required to obtain a magnetic field of the same intensity is reduced by half. That is, when each of the inductors 61, 71 of the present invention has the same inductance as the inductor of the conventional device, the voltage difference applied to both ends of the inductors 61, 71 is reduced by half compared with the conventional one. . This means that the equipment is safer, and the plasma interference caused by the voltage across it is reduced.

이와 같이 본 발명의 ICP 발생 장치는 균일도가 뛰어난 고밀도의 프라스마의 발생이 가능하며, 설계가 간단하고 소형 경량화가 가능하다는 효과가 있다.As described above, the ICP generator of the present invention is capable of generating high-density plasma with excellent uniformity, and has an effect of simple design and small size and light weight.

Claims (5)

가스 분배기를 통하여 가스의 공급 및 배출이 제어되며, 제 1 전극을 통하여 제공되는 제 1 고주파원의 고주파 전압에 따라 공급된 가스를 프라스마화하여 상기 제 1 전극의 상단에 구성되는 웨이퍼 척 상부에 장착되는 웨이퍼를 에칭하는 공정관이 내부에 형성되는 프라스마 반응관을 구비하는 프라스마 발생 장치에 있어서,The supply and discharge of the gas is controlled through the gas distributor, and the gas supplied according to the high frequency voltage of the first high frequency source provided through the first electrode is plasma-formed and mounted on the wafer chuck formed on the top of the first electrode. A plasma generating device comprising a plasma reaction tube having a process tube for etching a wafer to be formed therein, 상기 프라스마 반응관의 외측에 구성되는 제 2 및 제 3 고주파원과;Second and third high frequency sources configured outside the plasma reaction tube; 상기 프라스마 반응관 내측 상단에 장착된 제 1 철심에 권선되어 상기 제 2 고주파원의 고주파 전압에 대응하는 자기장을 형성하는 제 1 인덕터와;A first inductor wound around a first iron core mounted on an inner top of the plasma reaction tube to form a magnetic field corresponding to the high frequency voltage of the second high frequency source; 상기 프라스마 반응관 내측 하단에 장착된 제 2 철심에 권선되어 상기 제 3 고주파원의 고주파 전압에 대응하는 자기장을 형성하는 제 2 인덕터를 구비하는 인덕터 커플형 프라스마 발생 장치.And a second inductor wound around a second iron core mounted on an inner lower end of the plasma reaction tube to form a magnetic field corresponding to the high frequency voltage of the third high frequency source. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 1 및 제 2 인덕터들에는 제공되는 제 2 및 제 3 고주파원의 고주파는 100KHz-100MHz대역임을 특징으로 하는 인덕터 커플형 프라스마 발생 장치.The high frequency of the second and third high frequency source provided to the first and second inductors is 100KHz-100MHz band inductor coupled plasma generator. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 제 1 및 제 2 인덕터들에 제공되는 제 2 및 제 3 고주파원의 전류는 상기 제 1 및 제 2 철심의 대향면에 상이한 자기극이 형성되도록 제공되는 인덕터 커플형 프라스마 발생 장치.And a current of the second and third high frequency sources provided to the first and second inductors is provided such that different magnetic poles are formed on opposite surfaces of the first and second iron cores. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 제 1 및 제 2 철심은 연철로 구성한 인덕터 커플형 프라스마 발생 장치.The first and second iron core is inductor coupled plasma generating device composed of soft iron. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 제 1 및 제 2 철심은 상호 대향하는 면의 가장 자리에 각을 형성한 인덕터 커플형 프라스마 발생 장치.And the first and second iron cores have an angle formed at edges of opposite surfaces thereof.
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